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      混凝土框架廠房的抗震設計

      發布時間:2021-07-28 瀏覽人數:358

      詳情介紹

      一、主廠房布置特點

      火力發電廠主廠房屬于熱力生產車間,工藝布置要求盡量緊湊,廠房結構選型和結構體系首先要    根據工程工藝布置特點,并結合工程地質和抗震設防等要求綜合考慮,以保證實現工程項目“安全經濟、技術進步、控制工程造價、提高經濟效益”的最終目標。

      多年來火電廠主廠房主要采用四列式前煤倉方案。該方案汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房順列布置,汽機房、除氧間、煤倉間形成所謂的“四列式”主廠房聯合結構體系。

      經過工藝專業設計優化比較,近幾年主廠房布置出現三列式前煤倉方案和側煤倉方案。

      側煤倉方案:煤倉間采用集中側煤倉,布置在2臺鍋爐之間。與前面的汽機房及除氧間脫開布置,各自形成獨立結構。汽機房和除氧間順列布置,也形成所謂的“三列式”主廠房單跨框-排架結構體系。

      二、主廠房鋼筋混凝土框架結構抗震性能的薄弱環節

      火電廠主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構布置和構件截面尺寸選擇,主要取決于工藝系統和設備布置,經常出現樓面標高錯層、平面布置不規則、縱向不等跨、高度方向布置不規則,與抗震概念設計有較大距離。所以鋼筋混凝土框架結構出現一些抗震概念設計方面的先天性薄弱環節。

      1)①火電廠主廠房鋼筋混凝土框架結構由于結構布置特點,存在“強梁弱拄”、“短柱”、“異形節點”的薄弱環節,結構在強震時不能實現“大震不倒”,是嚴重違背結構抗震設計原則的,在結構抗震概念中是不允許的。②煤斗大梁截面往往比柱大得多,結構體系中必然出現“強梁弱柱”?!皬娏喝踔簟苯Y構體系在強震時柱上先出現塑性鉸,不能實現“大震不倒”,樓面標高錯層造成框架柱出現“短柱”,“短柱”在強震時會出現脆性破壞,引起結構體系倒塌。③樓面上工藝設備的嚴重不均勻,造成框架同一個節點上的柱和梁斷面差異大,節點的剛域很難準確量化,在強震時會首先出現破壞。

      上述薄弱環節是主廠房鋼筋混凝土框架結構避免不了的,目前還沒有找到明確的解決辦法,只是默認了過去的經驗和研究成果,過去建成的主廠房鋼筋混凝土框架已經經過多種強震的考驗是安全的,在工程設計和審核中目前不作深究。

      2)主廠房鋼筋混凝土框架結構高度超限。對于600MW/1000MW機組主廠房的煤倉間框架結構高度一般為50~55m,主廠房鋼筋混凝土框架屬乙類建筑,按抗震規范的規定,可能出現鋼筋混凝土框架結構高度超限。但是,規范的條文說明指出:超過表列高度的房屋,應進行專門研究和論證,采取有效的加強措施。在工程設計中,只要說明采取的有效加強措施,也就無可非議了。

      3)平面布置不規則對結構抗震特別不利。供熱機組的主廠房,A列外有披屋時,工程設計中往往單從管道布置經濟一些而采用披屋和汽機房連在一起,每一個結構單元的平面嚴重不規則,在高烈度地震區對結構抗震非常不利。采用主廠房每臺機一個結構單元,披屋單獨一個結構單元,對結構抗震肯定好一些。

      4)主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系。汶川大地震后,針對震區學校、醫院等民用房屋采用單跨鋼筋混凝土框架結構體系,在此次強震作用下破壞較多,《建筑抗震設計規范》特別補充了“……高層的框架結構不應采用單跨框架結構,多層框架結構不宜采用單跨框架結構?!眹栏窨刂其摻罨炷羻慰缈蚣芙Y構適用范圍的要求。

      甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑,不應采用單跨框架結構,高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系在主廠房,鋼筋混凝土單框架結構在輸煤棧橋、轉運站中是避免不了。在立交橋和橋梁橋墩工程中還經常出現單榀單跨或單柱混凝土結構體系。

      在工程審查和設計中如何理解,上述規定在主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系中能不能采用,如何控制結構的安全度,如何確定抗震構造措施?

      三、鋼筋混凝土框-排架結構體系抗震設計規定的合理判斷

      在電力結構工程和其他工業建筑中,不可避免地會遇到鋼筋混凝土單框架結構體系。

      1)現行建筑抗震設計規范的適用范圍。按照規定,行業有特殊要求的工業建筑,其抗震設計應按照有關專門規定執行。工業建筑中,一些因生產工藝要求而造成的特殊問題的抗震設計,與一般建筑工程不同,需由有關的專業標準予以規定。規定中的“高層”和“多層”是指房屋建筑。而工業廠房在該規范中只提到“單層工業廠房”和“多層鋼結構廠房”以及現澆鋼筋混凝土框架結構房屋適用的高度限制。

      發電廠主廠房現在采用的三列式單跨框架結構體系,實際上是多層框排架鋼筋混凝土工業廠房,而且在B-C框架結構中增加了相關的柱間支撐,加強了樓面和汽機房屋面的剛度,在抗震能力方面優于純框架體系,所以發電廠主廠房結構一般不要機械地按高層鋼筋混凝土房屋的抗震要求對待。電力土建行業在《火力發電廠土建結構設計技術規程》中,考慮到火力發電廠主廠房的結構特點,對規范條文深入理解合理判斷,沒有簡單機械地套用建筑抗震設計規范的有關條款,而在抗震部分增加“發電廠多層及以上建(構)筑物不宜采用單跨框架結構。當采用單跨框架結構時,應采取提高結構安全度的可靠措施”。

      2)單框架與雙框架結構在承載能力設計控制。方面沒有差別,只是結構在抗震設計中反映出結構整體的“魯棒性”的差異,但是“魯棒性”又不可能量化,只是反映在結構的布置和構造方面。雙框架結構存在“短柱”、“異形節點”的機會還多一些,在高烈度地震區的單框架結構只要注意結構布置合理和加強構造措施,也可以滿足結構安全要求。單跨框架或多跨框架結構體系在結構安全性、抗震性能的設計采用的是同一種標準。根據這一標準,單跨框架結構與多跨框架結構在構件承受同樣的荷載和工況下承載能力是一樣的。一旦單跨框架結構的構件發生破壞,多跨框架結構的構件也會發生破壞。通過合理調整縱橫向抗側力剛度的單跨框架結構在本質上不屬于存在先天不足的不規則結構體系,增大構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)汶川震害調查發現,工業廠房中單跨鋼筋混凝土框架破壞并不突出,因為工業建筑在地震發生時生產運行并處于最不利的設計荷載工況的幾率小一些,同時工業建筑(構)物構件斷面、樓面等空間剛度的實施方面考慮也比較充足一些。其次,民用建筑物出于使用功能的要求,框架柱斷面在兩個方向尺寸相差不會太大,由于單框架結構體系的建筑物縱向跨數較多,造成建筑物縱橫向剛度相差很大,導致兩個方向抗震特性差異較大,地震時建筑物單跨方向破壞容易發生。而火力發電廠主廠房可以調整抗側力構件兩個方向的剛度,單跨方向柱的截面大得多,使兩個方向的動力特性相近,盡可能減小建筑物的扭轉效應,減少了建筑單跨方向的不利因素。

      4)對于側煤倉布置方案的煤倉間框架以及輸煤轉運站,當采用單跨鋼筋混凝土框架時需要設置支撐或寬翼柱,提高抗震能力儲備。在設計單跨鋼筋混凝土框架時,可參考UBC有關條款的做法,將主要構件斷面的設計承載能力提高10%左右。

      四、可以采取的提高結構安全度的可靠措施

      1)主廠房橫向采用汽機房與煤倉間構成鋼筋混凝土單跨框-排架結構形式,縱向A列采用框架加鋼支撐結構,BC列采用框架結構,橫向采用汽機大平臺結構與主廠房A、B排柱鉸接或剛性連接。主廠房縱向采用框架-剪力墻結構,剪力墻位于縱向框架的中部,柱間采用雙縱梁形式;汽機房屋面采用壓型鋼板底模-現澆鋼筋混凝土板的結構形式,增強了結構的抗側力性能,提高了結構的整體抗扭能力。主要構件斷面設計承載能力提高5%~10%。

      2)主廠房基礎設計時采用對不均勻沉降有利的型式,適當加大基礎剛度,有效地提高地基基礎與上部結構的協同作用。

      3)對多遇及罕遇地震進行分析計算,多遇地震作用下結構橫向的最大層間位移角應滿足規范限值1/550;罕遇地震作用下,按實際配筋復核驗算橫向框排架薄弱層,彈塑性層間位移角滿足規范規定限值1/50。

      4)梁、柱截面確定合理,框架柱軸壓比應控制在不大于0.7。使框架結構柱軸壓比滿足規范要求,并留有裕度。設計過程中詳細分析工藝布置,做到結構豎向連續布置,力求減少各層間剛度的差異,以防形成薄弱層;合理確定梁柱截面。

      5)通過與工藝配合對主廠房采用鋼筋混凝土結構方案所可能出現的對抗震不利的因素如短柱、錯層、薄弱層、異型節點等,進行計算分析。在“短柱”范圍內箍筋通長加密,并采用配置對角斜筋來提高其延性,實際配置對角斜筋比規范建議值有富裕。同時柱截面體積配箍率比計算所需值高出30%左右,增強了框架結構的延性和抗剪能力。

      6)框架柱實際配筋比計算配筋值提高5%~10%,增加了框架柱的承載能力。

      7)汽機房屋架與柱牛腿的連接以及汽機大平臺梁與A、B列框架柱的連接,采取加強措施,必要時采用剛接。在高烈度地震地區,汽機房屋架與柱牛腿的連接應加強,可在柱中埋設型鋼,然后與屋架焊接,形成剛性連接。

      五、結論和建議

      1)根據多次審查會議紀要專家意見,在高烈度地震區建議不采用鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系,一般情況下也不推薦采用三列式框-排架結構體系。當設防烈度為7°,場地土類別為Ⅱ類及以下時,主廠房可以采用三列式框-排架結構體系,但應采取提高結構安全度的可靠措施。當設防烈度為7°,場地土類別為Ⅲ類及以上時,主廠房不要采用三列式單跨鋼筋混凝土框-排架結構體系。

      2)建議電力工程設計系統盡快編制三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結構體系的有關設計原則和提高結構安全度的具體措施,作為《火力發電廠土建結構設計技術規程》的補充或單行的設計用指導性文件,便于指導主廠房結構設計,也可以作為初步設計和施工設計審查的參考依據。

      3)對于電力建設中的特殊結構工程研究采用結構構件抗震性能設計方法。

      4)建議研究提高三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結構體系抗震能力的有效措施。繼續安排專題研究,從結構體系和構件設計方面提出新方案,解決鋼筋混凝土框-排架主廠房結構中存在“強梁弱柱”、“短柱”、“異形節點”的抗震薄弱環節。

      混凝土框架廠房的抗震設計

      發布時間:2021-07-28 瀏覽人數:359
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      一、主廠房布置特點

      火力發電廠主廠房屬于熱力生產車間,工藝布置要求盡量緊湊,廠房結構選型和結構體系首先要    根據工程工藝布置特點,并結合工程地質和抗震設防等要求綜合考慮,以保證實現工程項目“安全經濟、技術進步、控制工程造價、提高經濟效益”的最終目標。

      多年來火電廠主廠房主要采用四列式前煤倉方案。該方案汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房順列布置,汽機房、除氧間、煤倉間形成所謂的“四列式”主廠房聯合結構體系。

      經過工藝專業設計優化比較,近幾年主廠房布置出現三列式前煤倉方案和側煤倉方案。

      側煤倉方案:煤倉間采用集中側煤倉,布置在2臺鍋爐之間。與前面的汽機房及除氧間脫開布置,各自形成獨立結構。汽機房和除氧間順列布置,也形成所謂的“三列式”主廠房單跨框-排架結構體系。

      二、主廠房鋼筋混凝土框架結構抗震性能的薄弱環節

      火電廠主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構布置和構件截面尺寸選擇,主要取決于工藝系統和設備布置,經常出現樓面標高錯層、平面布置不規則、縱向不等跨、高度方向布置不規則,與抗震概念設計有較大距離。所以鋼筋混凝土框架結構出現一些抗震概念設計方面的先天性薄弱環節。

      1)①火電廠主廠房鋼筋混凝土框架結構由于結構布置特點,存在“強梁弱拄”、“短柱”、“異形節點”的薄弱環節,結構在強震時不能實現“大震不倒”,是嚴重違背結構抗震設計原則的,在結構抗震概念中是不允許的。②煤斗大梁截面往往比柱大得多,結構體系中必然出現“強梁弱柱”?!皬娏喝踔簟苯Y構體系在強震時柱上先出現塑性鉸,不能實現“大震不倒”,樓面標高錯層造成框架柱出現“短柱”,“短柱”在強震時會出現脆性破壞,引起結構體系倒塌。③樓面上工藝設備的嚴重不均勻,造成框架同一個節點上的柱和梁斷面差異大,節點的剛域很難準確量化,在強震時會首先出現破壞。

      上述薄弱環節是主廠房鋼筋混凝土框架結構避免不了的,目前還沒有找到明確的解決辦法,只是默認了過去的經驗和研究成果,過去建成的主廠房鋼筋混凝土框架已經經過多種強震的考驗是安全的,在工程設計和審核中目前不作深究。

      2)主廠房鋼筋混凝土框架結構高度超限。對于600MW/1000MW機組主廠房的煤倉間框架結構高度一般為50~55m,主廠房鋼筋混凝土框架屬乙類建筑,按抗震規范的規定,可能出現鋼筋混凝土框架結構高度超限。但是,規范的條文說明指出:超過表列高度的房屋,應進行專門研究和論證,采取有效的加強措施。在工程設計中,只要說明采取的有效加強措施,也就無可非議了。

      3)平面布置不規則對結構抗震特別不利。供熱機組的主廠房,A列外有披屋時,工程設計中往往單從管道布置經濟一些而采用披屋和汽機房連在一起,每一個結構單元的平面嚴重不規則,在高烈度地震區對結構抗震非常不利。采用主廠房每臺機一個結構單元,披屋單獨一個結構單元,對結構抗震肯定好一些。

      4)主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系。汶川大地震后,針對震區學校、醫院等民用房屋采用單跨鋼筋混凝土框架結構體系,在此次強震作用下破壞較多,《建筑抗震設計規范》特別補充了“……高層的框架結構不應采用單跨框架結構,多層框架結構不宜采用單跨框架結構?!眹栏窨刂其摻罨炷羻慰缈蚣芙Y構適用范圍的要求。

      甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑,不應采用單跨框架結構,高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系在主廠房,鋼筋混凝土單框架結構在輸煤棧橋、轉運站中是避免不了。在立交橋和橋梁橋墩工程中還經常出現單榀單跨或單柱混凝土結構體系。

      在工程審查和設計中如何理解,上述規定在主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系中能不能采用,如何控制結構的安全度,如何確定抗震構造措施?

      三、鋼筋混凝土框-排架結構體系抗震設計規定的合理判斷

      在電力結構工程和其他工業建筑中,不可避免地會遇到鋼筋混凝土單框架結構體系。

      1)現行建筑抗震設計規范的適用范圍。按照規定,行業有特殊要求的工業建筑,其抗震設計應按照有關專門規定執行。工業建筑中,一些因生產工藝要求而造成的特殊問題的抗震設計,與一般建筑工程不同,需由有關的專業標準予以規定。規定中的“高層”和“多層”是指房屋建筑。而工業廠房在該規范中只提到“單層工業廠房”和“多層鋼結構廠房”以及現澆鋼筋混凝土框架結構房屋適用的高度限制。

      發電廠主廠房現在采用的三列式單跨框架結構體系,實際上是多層框排架鋼筋混凝土工業廠房,而且在B-C框架結構中增加了相關的柱間支撐,加強了樓面和汽機房屋面的剛度,在抗震能力方面優于純框架體系,所以發電廠主廠房結構一般不要機械地按高層鋼筋混凝土房屋的抗震要求對待。電力土建行業在《火力發電廠土建結構設計技術規程》中,考慮到火力發電廠主廠房的結構特點,對規范條文深入理解合理判斷,沒有簡單機械地套用建筑抗震設計規范的有關條款,而在抗震部分增加“發電廠多層及以上建(構)筑物不宜采用單跨框架結構。當采用單跨框架結構時,應采取提高結構安全度的可靠措施”。

      2)單框架與雙框架結構在承載能力設計控制。方面沒有差別,只是結構在抗震設計中反映出結構整體的“魯棒性”的差異,但是“魯棒性”又不可能量化,只是反映在結構的布置和構造方面。雙框架結構存在“短柱”、“異形節點”的機會還多一些,在高烈度地震區的單框架結構只要注意結構布置合理和加強構造措施,也可以滿足結構安全要求。單跨框架或多跨框架結構體系在結構安全性、抗震性能的設計采用的是同一種標準。根據這一標準,單跨框架結構與多跨框架結構在構件承受同樣的荷載和工況下承載能力是一樣的。一旦單跨框架結構的構件發生破壞,多跨框架結構的構件也會發生破壞。通過合理調整縱橫向抗側力剛度的單跨框架結構在本質上不屬于存在先天不足的不規則結構體系,增大構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)汶川震害調查發現,工業廠房中單跨鋼筋混凝土框架破壞并不突出,因為工業建筑在地震發生時生產運行并處于最不利的設計荷載工況的幾率小一些,同時工業建筑(構)物構件斷面、樓面等空間剛度的實施方面考慮也比較充足一些。其次,民用建筑物出于使用功能的要求,框架柱斷面在兩個方向尺寸相差不會太大,由于單框架結構體系的建筑物縱向跨數較多,造成建筑物縱橫向剛度相差很大,導致兩個方向抗震特性差異較大,地震時建筑物單跨方向破壞容易發生。而火力發電廠主廠房可以調整抗側力構件兩個方向的剛度,單跨方向柱的截面大得多,使兩個方向的動力特性相近,盡可能減小建筑物的扭轉效應,減少了建筑單跨方向的不利因素。

      4)對于側煤倉布置方案的煤倉間框架以及輸煤轉運站,當采用單跨鋼筋混凝土框架時需要設置支撐或寬翼柱,提高抗震能力儲備。在設計單跨鋼筋混凝土框架時,可參考UBC有關條款的做法,將主要構件斷面的設計承載能力提高10%左右。

      四、可以采取的提高結構安全度的可靠措施

      1)主廠房橫向采用汽機房與煤倉間構成鋼筋混凝土單跨框-排架結構形式,縱向A列采用框架加鋼支撐結構,BC列采用框架結構,橫向采用汽機大平臺結構與主廠房A、B排柱鉸接或剛性連接。主廠房縱向采用框架-剪力墻結構,剪力墻位于縱向框架的中部,柱間采用雙縱梁形式;汽機房屋面采用壓型鋼板底模-現澆鋼筋混凝土板的結構形式,增強了結構的抗側力性能,提高了結構的整體抗扭能力。主要構件斷面設計承載能力提高5%~10%。

      2)主廠房基礎設計時采用對不均勻沉降有利的型式,適當加大基礎剛度,有效地提高地基基礎與上部結構的協同作用。

      3)對多遇及罕遇地震進行分析計算,多遇地震作用下結構橫向的最大層間位移角應滿足規范限值1/550;罕遇地震作用下,按實際配筋復核驗算橫向框排架薄弱層,彈塑性層間位移角滿足規范規定限值1/50。

      4)梁、柱截面確定合理,框架柱軸壓比應控制在不大于0.7。使框架結構柱軸壓比滿足規范要求,并留有裕度。設計過程中詳細分析工藝布置,做到結構豎向連續布置,力求減少各層間剛度的差異,以防形成薄弱層;合理確定梁柱截面。

      5)通過與工藝配合對主廠房采用鋼筋混凝土結構方案所可能出現的對抗震不利的因素如短柱、錯層、薄弱層、異型節點等,進行計算分析。在“短柱”范圍內箍筋通長加密,并采用配置對角斜筋來提高其延性,實際配置對角斜筋比規范建議值有富裕。同時柱截面體積配箍率比計算所需值高出30%左右,增強了框架結構的延性和抗剪能力。

      6)框架柱實際配筋比計算配筋值提高5%~10%,增加了框架柱的承載能力。

      7)汽機房屋架與柱牛腿的連接以及汽機大平臺梁與A、B列框架柱的連接,采取加強措施,必要時采用剛接。在高烈度地震地區,汽機房屋架與柱牛腿的連接應加強,可在柱中埋設型鋼,然后與屋架焊接,形成剛性連接。

      五、結論和建議

      1)根據多次審查會議紀要專家意見,在高烈度地震區建議不采用鋼筋混凝土單跨框-排架結構體系,一般情況下也不推薦采用三列式框-排架結構體系。當設防烈度為7°,場地土類別為Ⅱ類及以下時,主廠房可以采用三列式框-排架結構體系,但應采取提高結構安全度的可靠措施。當設防烈度為7°,場地土類別為Ⅲ類及以上時,主廠房不要采用三列式單跨鋼筋混凝土框-排架結構體系。

      2)建議電力工程設計系統盡快編制三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結構體系的有關設計原則和提高結構安全度的具體措施,作為《火力發電廠土建結構設計技術規程》的補充或單行的設計用指導性文件,便于指導主廠房結構設計,也可以作為初步設計和施工設計審查的參考依據。

      3)對于電力建設中的特殊結構工程研究采用結構構件抗震性能設計方法。

      4)建議研究提高三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結構體系抗震能力的有效措施。繼續安排專題研究,從結構體系和構件設計方面提出新方案,解決鋼筋混凝土框-排架主廠房結構中存在“強梁弱柱”、“短柱”、“異形節點”的抗震薄弱環節。

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