發(fā)電廠主廠房土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中應用
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【摘要】當前，發(fā)電廠建設(shè)水平得到了大幅度提升。對發(fā)電廠主廠房進行建設(shè)，必須保障其土建結(jié)構(gòu)的科學設(shè)計，才能增強主廠房的抗震能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對此，設(shè)計人員應遵循GB50011—2019《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。論文簡述了主廠房的結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)形式，淺析了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對發(fā)電廠主廠房的影響及要求，探究了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》在發(fā)電廠主廠房土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的應用，以期為發(fā)電廠主廠房土建結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】新抗震規(guī)范；發(fā)電廠；土建結(jié)構(gòu)設(shè)計
1主廠房的結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)形式
對發(fā)電廠廠房進行設(shè)計，不僅要減少廠房施工耗費的成本，還要增強廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這就要求相關(guān)設(shè)計人員深入施工一線開展調(diào)查研究，全面了解和準確把握發(fā)電廠廠房所在地的實際情況，綜合考慮各項因素，對發(fā)電廠廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體方案進行優(yōu)化改進。當前，人們在建設(shè)主廠房結(jié)構(gòu)時，日益提高韌度性能標準，不僅要求主廠房具備較高的強度，還要求增強其穩(wěn)固性能。因此，在對主廠房結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中，要全面考慮和綜合分析其承載力、韌度和堅固度[1]。相關(guān)設(shè)計人員要與時俱進，結(jié)合GB50011—2019《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“新抗震規(guī)范”），加強專業(yè)學習，提高設(shè)計水平，保障發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。
1.1結(jié)構(gòu)布置
主廠房結(jié)構(gòu)不僅具有較強的復雜性，且具有較為龐大的規(guī)模。對主廠房結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，要充分考慮其可利用面積，增強結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學性，避免盲目布置結(jié)構(gòu)，影響后期主廠房的安全性。設(shè)計人員在設(shè)計主廠房結(jié)構(gòu)時，應對各要素之間存在的聯(lián)系進行綜合考慮，分析各要素的相互作用和綜合影響，對抗震系數(shù)進行科學設(shè)計，增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，對抗裂縫進行合理設(shè)置[2]。另外，要對廠房支撐力進行充分考慮，最大化地提升主廠房具備的抗震性能。
1.2結(jié)構(gòu)形式
要根據(jù)發(fā)電廠主廠房的地基條件、建筑高度、結(jié)構(gòu)材料、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度等因素，科學選擇結(jié)構(gòu)形式。對抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行選擇，應遵循如下要求：（1）砌體結(jié)構(gòu)應遵循相關(guān)規(guī)定，對鋼筋混凝土圈梁、芯柱、構(gòu)造柱進行合理設(shè)置，或選用配筋砌體、約束砌體對變形能力進行改善。（2）混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應科學設(shè)置截面尺寸、箍筋和縱向受力鋼筋，避免剪切破壞出現(xiàn)于彎曲破壞之前，避免混凝土壓潰出現(xiàn)于鋼筋屈服之前，避免鋼筋錨固粘貼破壞出現(xiàn)于鋼筋破壞之前。（3）預應力混凝土構(gòu)件，要配置充足的非預應力鋼筋。（4）要合理控制鋼結(jié)構(gòu)尺寸，防止局部失穩(wěn)定導致構(gòu)件整體失穩(wěn)。要處理好非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，避免地震發(fā)生時，建筑倒塌將設(shè)備砸壞和將人砸傷。在樓體和屋面結(jié)構(gòu)上附著的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，要與主體結(jié)構(gòu)保持可靠錨固或連接。
2新抗震規(guī)范對發(fā)電廠主廠房的影響及要求
新抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計做出了強制性要求，并對限制指標提出了具體要求，對嚴重不規(guī)則、特別不規(guī)則以及不規(guī)則程度進行了清晰明確的區(qū)分標準。所謂結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，是指在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的同時，首先考慮廠房結(jié)構(gòu)相應的總地震反應，將結(jié)構(gòu)破壞的具體過程作為依據(jù)，并結(jié)合相關(guān)破壞機制，靈活應用地震設(shè)計相關(guān)準則。以新抗震規(guī)范新增的衡量標準作為依據(jù)，應根據(jù)各類框排架結(jié)構(gòu)在發(fā)電廠主廠房設(shè)計中存在的豎向和平面不規(guī)則、荷載不均勻分布等超標情況，提出有針對性的限制條件，對之進行限制。設(shè)計人員在設(shè)計過程中，應充分重視優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，盡量滿足工業(yè)設(shè)計各項要求的同時，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)布局。為更好地滿足結(jié)構(gòu)布置的相關(guān)要求，增強其規(guī)則性，應對層高、結(jié)構(gòu)斷面進行優(yōu)化，并均勻布置抗側(cè)力構(gòu)件，最大限度地減少薄弱層、短柱和錯層等薄弱結(jié)構(gòu)[3]。在實際中，應針對發(fā)電廠主廠房的特點，對導致結(jié)構(gòu)不規(guī)則的主要源頭進行查找分析，并在科學研究的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化措施。例如，煤斗支撐層的剛度較低、在梁斷面影響下，側(cè)向剛度呈現(xiàn)出大幅度變化、層高缺乏均勻性，并且受樓面錯層和開孔過多的影響，導致局部剛度不連續(xù)等問題。另外，為避免出現(xiàn)違反結(jié)構(gòu)概念設(shè)計要求的問題，新抗震規(guī)范做出了如下限制：（1）在工藝布置受限制時，使用錯層結(jié)構(gòu)，應嚴格執(zhí)行相關(guān)抗震措施。需要注意的是，在抗震設(shè)防烈度為7~9度和Ⅲ、Ⅳ類場地時，不應在鋼筋混凝土框架的相鄰跨上應用錯層結(jié)構(gòu)。（2）適宜在與樓層接近的部位或樓層上對行車荷載作用點進行布置。（3）在對鋼梁與混凝土樓板進行結(jié)構(gòu)分析時，應對樓板的剛度進行考慮。樓板梁采用鋼梁時，應具備可靠連接[4]。（4）在樓層處梁高范圍內(nèi)，適宜對框架與排架跨相應的連接結(jié)點進行布置。在抗震設(shè)防烈度為7~9度以及Ⅲ、Ⅳ類場中，則不應在同層架構(gòu)之間對連接節(jié)點進行設(shè)置。（5）沿豎直方向?qū)Ω鲗涌蚣芰哼M行布置的過程中，應盡量減少各層間存在的剛度差異，避免形成薄弱層。（6）應考慮在相鄰樓層對水平支撐進行設(shè)置，或盡量使煤倉、料斗的重心與支承點靠近樓層處，以有效傳遞地震作用，并確保相應樓層在水平方向上有足夠的剛度。在主廠房的實際運行過程中，出現(xiàn)超出廠房結(jié)構(gòu)抗震能力的情況時，廠房結(jié)構(gòu)的非彈性變形可抵消一定的外力，但會導致不可修復的結(jié)構(gòu)損傷，而當非彈性變形超出主廠房結(jié)構(gòu)的承受能力時，會導致主廠房建筑結(jié)構(gòu)承載力失效，進而引發(fā)建筑整體倒塌。因此，研究廠房建筑的抗震設(shè)計，并探究降低結(jié)構(gòu)損傷的抗震設(shè)計措施具有關(guān)鍵性意義。對發(fā)電廠主廠房進行抗震設(shè)計時，可在增強鋼筋混凝土韌性的同時，加強結(jié)構(gòu)的彈性限度[5]。另外，要遵循新抗震規(guī)范，對主廠房進行科學設(shè)計，增強土建結(jié)構(gòu)的抗震性能、耐用度和堅固度，充分發(fā)揮新抗震規(guī)范對主廠房土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的指導作用。
3新抗震規(guī)范在發(fā)電廠主廠房土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的應用
3.1支撐布置形式
鋼框架-中心支撐體系和混凝土框架-抗震墻支撐體系均具有良好的抗震效果。地震多發(fā)區(qū)域的發(fā)電廠應合理利用上述體系建設(shè)主廠房。部分發(fā)電廠在主廠房建設(shè)過程中，為減少施工量，對結(jié)構(gòu)體系進行了簡化，減少了支撐布置的數(shù)量，甚至限制布置于廠房兩端的支撐。這就導致支撐點相對某幾個支座而集中，若沿縱向?qū)χ吸c進行均勻布置，會降低支座的抗震能力。對此，要注重對支撐布置進行優(yōu)化，提高發(fā)電廠廠房結(jié)構(gòu)的承載力，并保障整體結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，能有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性，還能減少支撐截面面積，在不改變鋼框架體系布置方式和實際數(shù)量的前提下，可以增強發(fā)電廠廠房的抗震能力。合理布置支撐，能使建筑結(jié)構(gòu)從整體上形成更為均勻的承載能力，并使整體結(jié)構(gòu)形成均勻的剛度分布[6]。在2個主軸方向?qū)Y(jié)構(gòu)動力特性呈現(xiàn)出的差異進行減小，并加強廠房外側(cè)柱列相應的縱向剛度，在具有較大荷載的柱間對支撐進行布置，實現(xiàn)上下貫通。整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)增加后，結(jié)構(gòu)自振周期隨之減少，結(jié)構(gòu)地震反應則隨之增大。對鋼框架一支撐體系保持原有的支撐布置形式和布置數(shù)量，可減少支撐截面的實際面積，進而減少結(jié)構(gòu)剛度，有效減少地震反應。支撐截面并非越大越具有良好的抗震反應。要提高經(jīng)濟性，又保障結(jié)構(gòu)安全，需展開精確計算，并做出合理選擇。
3.2抗震構(gòu)造的優(yōu)化
在發(fā)電廠廠房建設(shè)中，廠房是主體建筑，提高主廠房的施工質(zhì)量和水平可以促進發(fā)電廠的良性發(fā)展。電廠主廠房結(jié)構(gòu)相對復雜，結(jié)構(gòu)跨度、荷載和開間尺寸較大，導致梁柱截面增加[7]，因此，主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計難度較大。設(shè)計人員對主廠房結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時，應總結(jié)相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，建立完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。特別是要對薄弱設(shè)計環(huán)節(jié)進行改進，保證結(jié)構(gòu)的抗震性能?？拐鸾Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以從以下幾個方面著手：1）目前，新材料及相關(guān)技術(shù)越來越多地應用于主廠房的設(shè)計和施工中。在設(shè)計和建造主廠房時，可在鋼筋混凝土中使用具有良好延性、焊接性和韌性的特種鋼筋，從而有效增強主廠房的抗震性能。相關(guān)人員要實時關(guān)注新材料市場，認真篩選、合理使用新材料，切實提升建筑主體結(jié)構(gòu)抗震性能。2）要綜合考慮布局工藝，優(yōu)化主廠房的豎向布局，結(jié)合生產(chǎn)工藝對相關(guān)設(shè)備進行合理布局?？紤]到主廠房的結(jié)構(gòu)自重及其過程荷載，會不同程度地影響其抗震能力。設(shè)計者在優(yōu)化主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應控制結(jié)構(gòu)自重和過程載荷[8]。3）設(shè)計者在設(shè)計主廠房主體結(jié)構(gòu)時，應科學地構(gòu)建支撐體系。一方面，要設(shè)置綜合支撐體系，增強支撐柱和天窗框架的抗震能力；另一方面，要保證主廠房面板良好的連續(xù)性和完整性，提高工廠整體的抗震性能。4）在建造主廠房圍護結(jié)構(gòu)時，應采用輕質(zhì)墻板，以有效減少結(jié)構(gòu)受力，同時，提高廠房的抗震性能。5）在屋面板設(shè)計中，應減少端柱之間存在的相對變形，整體加強端柱之間的剛度。同時，要優(yōu)化屋面板所涉及的焊接工藝，提高其結(jié)構(gòu)承載能力。6）主廠房建筑盡量采用方形簡潔的布局，防止不均勻和扭曲變化，盡量保證空間和平面剛度的均勻性，盡量保證剛度中心與房屋質(zhì)量中心接近或重合在一定程度上居中。
4結(jié)語
綜上所述，為有效保障發(fā)電廠主廠房的建設(shè)質(zhì)量，必須對主廠房土建結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計。設(shè)計人員應對抗震設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗進行總結(jié)，并嚴格遵循新抗震規(guī)范的指導，對主廠房土建結(jié)構(gòu)進行科學設(shè)計，以有效保障發(fā)電廠主廠房的使用安全。
作者:胡學飛 單位:上海艾能電力工程有限公司
