从主厂房结构构件选型分析火力发电厂土建结构抗震设计
关键词：火力发电厂,土建结构,抗震,设计,主厂房
一、火力发电厂钢筋混凝土框排架结构产生的震害
钢筋混凝土框排架结构是火力发电厂主厂房采用的典型结构形式，在历次大地震中，这类结构的设计、施工存在不少薄弱环节，在地震作用下易产生以下几种震害：
(一)结构层间屈服强度有明显降低的薄弱楼层
当框架结构的刚度沿竖向或水平方向有突变时，极易造成破坏，刚度弱的楼层破坏在先。在强烈的地震作用下，结构的薄弱楼层首先屈服，发生塑性变形，并形成塑性变形集中的现象，严重的导致结构局部倒塌。
(二)柱和支撑的震害
柱头与屋盖相连，屋盖的地震作用首先要通过柱头向下传递，柱头在反复水平地震作用下处于剪压复合受力状态，造成柱头劈裂或掉落;上柱的根部或吊车梁面高度处出现水平裂缝，最常见的位于地坪以上窗台以下;变截面柱的柱肩处竖向裂缝，这主要出现在不等高的排架厂房中;大柱网厂房的柱的下端发生对角破坏。不等高厂房的高低跨柱，支撑低跨屋架的牛脚普遍出现竖向裂缝或外泄裂缝，上柱根部出现水平裂缝，低跨有内宗强时，破坏加重。
(三)围护结构
采用砖围护墙由于刚度大承受力低，在地震作用下极易破坏。砖砌山墙外闪倒塌，尤其是山尖部位，由于位置高，动力反应大，在地震中破坏早、破坏重。纵向砖墙常发生水平裂缝、外倾甚至连同圈梁整片倒塌;高低跨处的高跨封墙外倾倒塌情况比较普遍。围护结构采用钢筋混凝土预制墙板时，墙体震害基本消除。
二、火力发电厂主厂房结构抗震设计要点
(一)汽机房屋面结构
汽机房屋面可以采用钢屋架或者钢网架等结构形式, 钢屋架在水平、横向、垂直支撑以及屋面檩条的联合作用下,传力体系简单明确,整体性较好,钢网架的整体性很强, 有很强的平面内刚度和传递水平荷载的能力, 作为汽机房屋面的结构, 理论上说是很合适的, 但是由于钢网架在设计过程中多为委托钢结构厂家进行设计和施工, 如果厂家对杆件采用满应力设计，没有预留任何富余度，而且忽视主体结构的变形对网架产生的影响，容易导致在地震过程中拉杆内力反号失效，钢网架的支座发生较大变形时，结构整体失稳垮塌。因此, 汽机房屋面如采用钢网架结构形式时, 则不应采用满应力设计, 预留足够的富余度, 并在计算中应考虑主体结构在罕遇地震下, 支座的变位对网架结构所产生的影响; 当采用钢屋架形式时, 屋盖应采用有檩体系, 并严格根据规范要求设置各种支撑, 且无论采用何种结构形式, 设计人员都应对其支座进行连接点焊缝和螺栓的抗剪强度验算。
(二)主厂房的抗震设计
主厂房布置应根据总体规划的要求,考虑扩建条件。包括平面布置和坚向布置。在主厂房平面布置中, 力求简单、规则、平直、整齐合理、受力明确、质量和刚度均匀对称。质量大的跨间不宜布置在结构单元的边缘, 质量大的设备宜设置在距刚度中心较近的部位。如煤斗应尽量布置在框架正中, 少做较长的悬结构, 并不宜在悬臂结构上布置重设备。主厂房坚向布置应与工艺密切配合, 设备尽可能采用低位布置, 并减轻工艺荷载和结构自重, 降低主厂房高度和重心。
火力发电厂钢筋混凝土主厂房抗震设计时应注意: 剪力墙混凝土的强度等级和框架柱混凝土的强度等级不应差别过大，而且剪力墙的配筋还有必要改进;剪力墙先屈服，框架柱再屈服的破坏模式是一种比较理想的抗震结构型式。因此，采取一定措施让剪力墙率先屈服后，框架不是随之破坏而是还可承担一定的地震作用，延长结构的破坏过程;框架顶层各构件的截面和配筋不宜过多地减少或削弱，在底层框架中，应特别注意加强柱脚的变形和耗能能力;在进行抗震设计时，要进行在极端地震作用下各参数的分析，以便综合评价结构的抗震性能。
(三)牛腿与汽机房运转层平台的连接
为了能够让主厂房主体结构与支承在主体结构上的汽机房运转层平台在日常结构正常温度变形和水平地震作用下能够顺畅滑动, 消除两个结构间的相互影响, 汽机房运转层平台与牛腿连接处, 应设计成能够让两个结构相互自由水平移动的形式, 并严格按照抗震规范设置防震缝, 避免结构在相互错动的过程中相互碰撞, 以及因为摩擦力的关系, 将牛腿混凝土拉裂。
(四)主厂房楼梯
主厂房楼梯尽可能不要设置在结构的端部, 且应采用直板式楼梯, 梯板端部应有梯梁, 如梯段转折处在楼层中间时, 应在下层楼面设梯柱支承梯梁, 尽可能不要采用折板楼梯的结构形式, 以避免在罕遇地震来临时梯板折断, 阻断运行维护人员的逃生路线。
(五)主厂房附属设备基础
主厂房地面及各楼层上放置的各种运行设备, 尤其是对于自重较大、重心较高的设备, 应根据其重力荷载代表值所产生的水平及竖向地震力, 验算其与基础连接的地脚螺栓、焊缝等, 避免其在地震中被剪断或从灌浆孔中拔出。
(六)主厂房结构构件选型
主厂房结构构件包括屋盖体系, 屋架、天窗架和围护结构。即主厂房汽机房宜采用无檩屋盖体系。如果汽机房采用有檩屋盖体系，与结构的整体刚度不协调，会产生过大的位移和扭转，对结构抗震不利，而采用无檩屋盖体系(大型屋面板) 能提高结构抗扭刚度, 保证纵向变形协调，使排架主列与框架柱列更好的共同工作。
屋架、天窗架宜采用钢屋架和钢天窗架。因为主厂房汽机间(锅炉间) 跨度比较大，采用钢屋架和钢天窗架，可减轻结构自重，且对整体结构抗震有利。突出屋面的天窗架越高，地震作用效应越大，震害越严重，因此在满足建筑功能的条件下，应尽量降低天窗架的高度。
另外，在布置屋架和天窗架的同时，还应按地震设防烈度设置屋架支撑和天窗两侧竖向支撑体系，并保证大型屋面板与屋架上弦牢固焊接，使屋盖形成一个有足够水平整体刚度的空间结构体系。主厂房的围护结构宜采用轻质材料或墙板结构，且宜对称布置，砌体围护墙宜采用外贴式。
三、火力发电厂结构抗震设计的优化措施
(一)采用偏心支撑框架
采用有利于抗震的偏心支撑框架，竖向支撑一定要落地布置，在水平力较大的框架，应设置多道竖向落地支撑。设置多道抗震防线，对于位于高烈度地震区的大型结构，也是非常必要的，有条件的时候，可设置抗震剪力墙，作为抗震第一道防线，吸引大部分的水平剪力，可在一定程度上保护主框架。
(二)高烈度地震区主厂房布置上应提前优化
对于高烈度地震区钢结构主厂房, 布置相对于常规设计有所不同, 应围绕着如何减小刚度的不均匀性, 提高结构的延性, 改善动力性能等。做好前期布置上的优化。
(三)减少结构外形的较大凸出或收进
应尽量减少结构外形的较大凸出或收进。尽量减小楼层在柱边的通长大开孔, 适当设置水平支撑, 对于有效传递水平力和提供柱约束有较好的效果。
结语
综上，由于火力发电厂本身的特殊性，其在抗震设计中有诸多不同于其他建筑的抗震设计要求，对其结构抗震的设计也有许多需要研究和探讨的地方。总体的思路就是尽可能减小整体结构刚度分布的不均匀性, 提高结构延性, 改善了主厂房在高烈度地震作用下的动力性能，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计目标。
参考文献
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本文选自《资源导刊》。 《资源导刊》以党中央、国务院关于国土资源工作的方针、政策为指针，面向全国省国土资源系统、科研院所、矿山企业、房地产开发公司和关心国土资源事业的广大社会公众，是广大读者了解国土资源有关法律法规、信息动态、工作经验、科研成果、学术理论、市场走势、难点热点及国际动态的传媒载体。
