混凝土框架厂房的抗震设计

 

　　一、主厂房布置特点

 

　　火力发电厂主厂房属于热力生产车间，工艺布置要求尽量紧凑，厂房结构选型和结构体系首先要根据工程工艺布置特点，并结合工程地质和抗震设防等要求综合考虑，以保证实现工程项目“安全经济、技术进步、控制工程造价、提高经济效益”的最终目标。

 

　　多年来火电厂主厂房主要采用四列式前煤仓方案。该方案汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉房顺列布置，汽机房、除氧间、煤仓间形成所谓的“四列式”主厂房联合结构体系。

 

　　经过工艺专业设计优化比较，近几年主厂房布置出现三列式前煤仓方案和侧煤仓方案。

 

　　三列式前煤仓方案：汽机房、煤仓间、锅炉房顺列布置，汽机房、单跨煤仓间形成所谓的“三列式”主厂房单跨框-排架结构体系。取消除氧间的三列式主厂房布置方式，主厂房体积明显减小，设备布置紧凑，初期建设投资效益是显著的。对于循环流化床锅炉发电机组的厂房更有必要性。但三列式前煤仓运行检修通道及场地相对较小。

 

　　侧煤仓方案：煤仓间采用集中侧煤仓，布置在2台锅炉之间。与前面的汽机房及除氧间脱开布置，各自形成独立结构。汽机房和除氧间顺列布置，也形成所谓的“三列式”主厂房单跨框-排架结构体系。

 

　　二、主厂房钢筋混凝土框架结构抗震性能的薄弱环节

 

　　火电厂主厂房钢筋混凝土单跨框-排架结构布置和构件截面尺寸选择，主要取决于工艺系统和设备布置，经常出现楼面标高错层、平面布置不规则、纵向不等跨、高度方向布置不规则，与抗震概念设计有较大距离。所以钢筋混凝土框架结构出现一些抗震概念设计方面的先天性薄弱环节。

 

　　1）①火电厂主厂房钢筋混凝土框架结构由于结构布置特点，存在“强梁弱拄”、“短柱”、“异形节点”的薄弱环节，结构在强震时不能实现“大震不倒”，是严重违背结构抗震设计原则的，在结构抗震概念中是不允许的。②煤斗大梁截面往往比柱大得多，结构体系中必然出现“强梁弱柱”。“强梁弱拄”结构体系在强震时柱上先出现塑性铰，不能实现“大震不倒”，楼面标高错层造成框架柱出现“短柱”，“短柱”在强震时会出现脆性破坏，引起结构体系倒塌。③楼面上工艺设备的严重不均匀，造成框架同一个节点上的柱和梁断面差异大，节点的刚域很难准确量化，在强震时会首先出现破坏。

 

　　上述薄弱环节是主厂房钢筋混凝土框架结构避免不了的，目前还没有找到明确的解决办法，只是默认了过去的经验和研究成果，过去建成的主厂房钢筋混凝土框架已经经过多种强震的考验是安全的，在工程设计和审核中目前不作深究。

 

　　2）主厂房钢筋混凝土框架结构高度超限。对于600MW/1000MW机组主厂房的煤仓间框架结构高度一般为50～55m，主厂房钢筋混凝土框架属乙类建筑，按抗震规范的规定，可能出现钢筋混凝土框架结构高度超限。但是，规范的条文说明指出：超过表列高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。在工程设计中，只要说明采取的有效加强措施，也就无可非议了。

 

　　3）平面布置不规则对结构抗震特别不利。供热机组的主厂房，A列外有披屋时，工程设计中往往单从管道布置经济一些而采用披屋和汽机房连在一起，每一个结构单元的平面严重不规则，在高烈度地震区对结构抗震非常不利。采用主厂房每台机一个结构单元，披屋单独一个结构单元，对结构抗震肯定好一些。

 

　　4）主厂房钢筋混凝土单跨框-排架结构体系。汶川大地震后，针对震区学校、医院等民用房屋采用单跨钢筋混凝土框架结构体系，在此次强震作用下破坏较多，《建筑抗震设计规范》特别补充了“……高层的框架结构不应采用单跨框架结构，多层框架结构不宜采用单跨框架结构。”严格控制钢筋混凝土单跨框架结构适用范围的要求。

 

　　甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构，高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。钢筋混凝土单跨框-排架结构体系在主厂房，钢筋混凝土单框架结构在输煤栈桥、转运站中是避免不了。在立交桥和桥梁桥墩工程中还经常出现单榀单跨或单柱混凝土结构体系。

 

　　在工程审查和设计中如何理解，上述规定在主厂房钢筋混凝土单跨框-排架结构体系中能不能采用，如何控制结构的安全度，如何确定抗震构造措施?

 

　　三、钢筋混凝土框-排架结构体系抗震设计规定的合理判断

 

　　在电力结构工程和其他工业建筑中，不可避免地会遇到钢筋混凝土单框架结构体系。

 

　　1）现行建筑抗震设计规范的适用范围。按照规定，行业有特殊要求的工业建筑，其抗震设计应按照有关专门规定执行。工业建筑中，一些因生产工艺要求而造成的特殊问题的抗震设计，与一般建筑工程不同，需由有关的专业标准予以规定。规定中的“高层”和“多层”是指房屋建筑。而工业厂房在该规范中只提到“单层工业厂房”和“多层钢结构厂房”以及现浇钢筋混凝土框架结构房屋适用的高度限制。

 

　　发电厂主厂房现在采用的三列式单跨框架结构体系，实际上是多层框排架钢筋混凝土工业厂房，而且在B-C框架结构中增加了相关的柱间支撑，加强了楼面和汽机房屋面的刚度，在抗震能力方面优于纯框架体系，所以发电厂主厂房结构一般不要机械地按高层钢筋混凝土房屋的抗震要求对待。电力土建行业在《火力发电厂土建结构设计技术规程》中，考虑到火力发电厂主厂房的结构特点，对规范条文深入理解合理判断，没有简单机械地套用建筑抗震设计规范的有关条款，而在抗震部分增加“发电厂多层及以上建(构)筑物不宜采用单跨框架结构。当采用单跨框架结构时，应采取提高结构安全度的可靠措施”。

 

　　2）单框架与双框架结构在承载能力设计控制。方面没有差别，只是结构在抗震设计中反映出结构整体的“鲁棒性”的差异，但是“鲁棒性”又不可能量化，只是反映在结构的布置和构造方面。双框架结构存在“短柱”、“异形节点”的机会还多一些，在高烈度地震区的单框架结构只要注意结构布置合理和加强构造措施，也可以满足结构安全要求。单跨框架或多跨框架结构体系在结构安全性、抗震性能的设计采用的是同一种标准。根据这一标准，单跨框架结构与多跨框架结构在构件承受同样的荷载和工况下承载能力是一样的。一旦单跨框架结构的构件发生破坏，多跨框架结构的构件也会发生破坏。通过合理调整纵横向抗侧力刚度的单跨框架结构在本质上不属于存在先天不足的不规则结构体系，增大构件截面和提高配筋率可以有效地提高建筑物的安全裕度。

 

　　3）汶川震害调查发现，工业厂房中单跨钢筋混凝土框架破坏并不突出，因为工业建筑在地震发生时生产运行并处于最不利的设计荷载工况的几率小一些，同时工业建筑(构)物构件断面、楼面等空间刚度的实施方面考虑也比较充足一些。其次，民用建筑物出于使用功能的要求，框架柱断面在两个方向尺寸相差不会太大，由于单框架结构体系的建筑物纵向跨数较多，造成建筑物纵横向刚度相差很大，导致两个方向抗震特性差异较大，地震时建筑物单跨方向破坏容易发生。而火力发电厂主厂房可以调整抗侧力构件两个方向的刚度，单跨方向柱的截面大得多，使两个方向的动力特性相近，尽可能减小建筑物的扭转效应，减少了建筑单跨方向的不利因素。

 

　　4）对于侧煤仓布置方案的煤仓间框架以及输煤转运站，当采用单跨钢筋混凝土框架时需要设置支撑或宽翼柱，提高抗震能力储备。在设计单跨钢筋混凝土框架时，可参考UBC有关条款的做法，将主要构件断面的设计承载能力提高10%左右。

 

　　四、可以采取的提高结构安全度的可靠措施

 

　　1）主厂房横向采用汽机房与煤仓间构成钢筋混凝土单跨框-排架结构形式，纵向A列采用框架加钢支撑结构，BC列采用框架结构，横向采用汽机大平台结构与主厂房A、B排柱铰接或刚性连接。主厂房纵向采用框架-剪力墙结构，剪力墙位于纵向框架的中部，柱间采用双纵梁形式;汽机房屋面采用压型钢板底模-现浇钢筋混凝土板的结构形式，增强了结构的抗侧力性能，提高了结构的整体抗扭能力。主要构件断面设计承载能力提高5%～10%。

 

　　2）主厂房基础设计时采用对不均匀沉降有利的型式，适当加大基础刚度，有效地提高地基基础与上部结构的协同作用。

 

　　3）对多遇及罕遇地震进行分析计算，多遇地震作用下结构横向的最大层间位移角应满足规范限值1/550;罕遇地震作用下，按实际配筋复核验算横向框排架薄弱层，弹塑性层间位移角满足规范规定限值1/50。

 

　　4）梁、柱截面确定合理，框架柱轴压比应控制在不大于0.7。使框架结构柱轴压比满足规范要求，并留有裕度。设计过程中详细分析工艺布置，做到结构竖向连续布置，力求减少各层间刚度的差异，以防形成薄弱层;合理确定梁柱截面。

 

　　5）通过与工艺配合对主厂房采用钢筋混凝土结构方案所可能出现的对抗震不利的因素如短柱、错层、薄弱层、异型节点等，进行计算分析。在“短柱”范围内箍筋通长加密，并采用配置对角斜筋来提高其延性，实际配置对角斜筋比规范建议值有富裕。同时柱截面体积配箍率比计算所需值高出30%左右，增强了框架结构的延性和抗剪能力。

 

　　6）框架柱实际配筋比计算配筋值提高5%～10%，增加了框架柱的承载能力。

 

　　7）汽机房屋架与柱牛腿的连接以及汽机大平台梁与A、B列框架柱的连接，采取加强措施，必要时采用刚接。在高烈度地震地区，汽机房屋架与柱牛腿的连接应加强，可在柱中埋设型钢，然后与屋架焊接，形成刚性连接。

 

　　五、结论和建议

 

　　1）根据多次审查会议纪要专家意见，在高烈度地震区建议不采用钢筋混凝土单跨框-排架结构体系，一般情况下也不推荐采用三列式框-排架结构体系。当设防烈度为7°，场地土类别为Ⅱ类及以下时，主厂房可以采用三列式框-排架结构体系，但应采取提高结构安全度的可靠措施。当设防烈度为7°，场地土类别为Ⅲ类及以上时，主厂房不要采用三列式单跨钢筋混凝土框-排架结构体系。

 

　　2）建议电力工程设计系统尽快编制三列式单跨钢筋混凝土框-排架主厂房结构体系的有关设计原则和提高结构安全度的具体措施，作为《火力发电厂土建结构设计技术规程》的补充或单行的设计用指导性文件，便于指导主厂房结构设计，也可以作为初步设计和施工设计审查的参考依据。

 

　　3）对于电力建设中的特殊结构工程研究采用结构构件抗震性能设计方法。

 

　　4）建议研究提高三列式单跨钢筋混凝土框-排架主厂房结构体系抗震能力的有效措施。继续安排专题研究，从结构体系和构件设计方面提出新方案，解决钢筋混凝土框-排架主厂房结构中存在“强梁弱柱”、“短柱”、“异形节点”的抗震薄弱环节。