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摘要：主厂房结构是一个涉及面广、专业性强的体系，它与施工技术的发展密切相关。本文主要介绍了主厂房设计过程中主厂房抗震结构设计的现状，抗震设计及方法，并针对性的提出了相应的改进措施。
关键字：火电厂；主厂房；抗震结构设计
Abstract: The main building structure is one involves an area wide, professional strong system, and it is closely related to the development of construction technology. This paper mainly introduces the design process of main building in seismic design of main building, seismic design and methods, and puts forward the corresponding measures for improvement.
Keywords: Thermal power plant main building; structural design;
引言
随着科学技术突飞猛进的发展，火力发电厂的单机容量不断增大，主厂房的设计方案越来越多。主厂房作为发电厂中最重要的建筑，它的结构选型、设计方案直接关系到能否满足发电要求及工程是否经济。
在人类所历经的各类自然灾害中，强烈地震是对生命线工程威胁最大的灾害之一。作为生命线工程的重要组成部分，电力系统一旦失效或遭到破坏，就会造成严重的灾害和难以估量的经济损失，电力中断不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，而且有可能引发火灾等次生灾害，严重威胁人们的生命和财产安全。
1．电厂土建结构抗震的现状
1.1电厂震害调查
进行震害调查、总结震害经验和教训是研究抗震极为重要的、主要的手段，它是地震造成的大规模原型试验。其相应建筑结构的薄弱环节将暴露无遗。为此，从60年代初开始进行有关地震调查工作。先后调查有关震区的电力设备的震害，如厂房的女儿墙就有倒塌，到9度地震时，主厂房框架破坏严重或倒塌，以及汽机房屋盖大面积塌落。
1.2动力特性的实测和试验
设计院和科研单位，对国内数十座发电厂、变电所的大量建（构）筑物进行过实测和试验工作，并充分揭示了各类结构的自振特性，以主厂房结构为例，在脉动和激振试验下，实测周期与计算周期比较。其计算周期均有偏长。另外，主厂房框排架结构复杂，质量和刚度分布不均，在实测和试验中明显反映出振动过程中伴随有扭转振动的特点。由于厂房结构型式变化和实测周期的数值变化不大，很难作出一个周期统计公式。但是，烟囱的自振周期随高度变化十分明显，且有统计规律，能建立相应经验公式。
1.3构件和节点的模型试验
唐山地震后，主厂房框排架结构的薄弱环节暴露比较充分，特别是节点区的破坏及钢筋焊接接头断裂。为此，曾在南京工学院进行了齿槽节点和钢筋剖口焊接头的抗震试验。为解决工程急需，建议了剖口加强焊接头型式，可适用千设防烈度为7、8度装配式结构的连接。此外，在钢—混凝土组合结构方面，还进行过外包钢混凝土等结构的有关抗震试验。
1.4抗震汁算
电厂结构一般按反应谱进行常规计算外，用计算模型检验在地震波作用下结构进入弹塑性状态的全过程，从而找出结构的薄弱环节，曾对几个钢筋混凝土结构的电厂主厂房计算后，表明：常规设计方法设计的电厂主厂房，基本满足抗震设防烈度的要求。但是，现有厂房还不能作到“强柱弱粱”结构，其抗震安全度各异，在强震作用下个别构件有可能严重破坏。同时，也表明未经抗震设计的厂房抗震潜力有限。由此说明，对安全性要求较高的主厂房，开展输入地震波考虑结构弹塑性影响的全过程分析很有必要。
1.5抗震构造的改进
火力发电厂主厂房，因工艺需要，其厂房有自身独特的特点，结构比较复杂。对于大机组的厂房尺寸和荷载较大，相应梁柱断面也较大。抗震构造按一般工业与民用建筑的有关规定执行困难较多、且不太合理。结合震害经验及试验研究分析进行了较多考虑，如柱的轴压比适当放宽，箍筋肢距稍为加大，粱端箍筋加密区根据大断面特点有所改进等，以及针对结构薄弱环节，对屋盖系统采取了加强措施。这些措施既保证了结构的安全，也方便了设计和施工。
2.主厂房设计中的抗震设计及分析
2.1主厂房设计中的抗震设计
火力发电厂的主厂房一般都是采用典型的框排架结构，根据研究已有的地震灾害发现火力发电厂的纵向震害小于横向震害。简化的地震反应计算方法，定义层间屈服强度系数为：
ξ（i）＝Qy（i）/Qe（i）。
其中Qy（i）为第i层的屈服剪力，Qe（i）为第i层弹性地震剪力。以各断面ξ（i）为震害判据，根据ξ（i）与震害的统计关系，判断各层震害，再综合判断整体震害。
预测流程主要为：将复杂结构简化成多自由度系统，用底部剪力法来计算水平方向上的地震力；采用结构力学中的方法，将连接框架与排架的细杆上的内力计算出来，并且解偶聯框架与排架；分别参照预测排架、框架所受震害的方法，计算出关键断面的ξ（i），然后进行比较，根据结果判断各断面所受的震害大小；最后综合判断主厂房所受的震害情况。现有的一些试验和钢筋混凝土实测应变分析表明，剪力墙承受结构的大部分抗震作用，剪力墙的屈服强度在很大程度上影响结构的承载能力和变形，其对应的屈服荷载接近于结构的极限荷载。在剪力墙屈服以后，其刚度降低，承受的剪力减少，框架的水平荷载最多可增加到总荷载的25%，连梁、框架梁柱很快随之屈服，于是整个结构发生侧移。由于模型结构的弹塑性性能逐步发展，结构的变形特点发展到以剪力变形为主的剪切性，但是结构的位移明显增加，剪力墙屈服达到最大荷载值时，相应的结构位移增幅高达200%。在地震波的作用下，结构的屈服顺序为：剪力墙根部→框架各层梁端→框架各柱根部。
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。
2.2发电厂主厂房设计中的分析法
2.2.1底部剪力法
适用于对于重量和刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m并以剪切变形为主（房屋高宽比小于4时）的结构，在振型分解反应谱法的基础上，针对某些建筑物的特定条件做进一步简化，而得到的一种近似计算水平地震作用的方法：将多自由度体系简化成单自由度体系，计算出结构总的地震作用（即结构底部剪力），再将其按倒三角形原则分配到各个楼层，计算结构内力。
2.2.2振型分解反应谱法
适用于除上述底部剪力法外的建筑结构，它是把多自由度体系分解成若干个单自由度体系振动的组合，并利用单自由度体系的反应谱理论计算各个振型振动的地震作用，最后将各个振型计算出的地震效应按一定的规则组合起来，求出总的地震响应。
2.2.3时程分析法
适用于在《抗震规范》规定，重要的工程结构，例如：大跨桥梁，特别不规则建筑、甲类建筑，高度超出规定范围的高层建筑应采用时程分析法进行补充计算。其基本原理是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而可计算出构件内力的时程变化关系。由此可知，在发电厂主厂房的设计中主要还是采用时程分析法。
3.电厂主厂房的抗震措施
钢筋混凝土结构要有“高延性要求”，要求在较大的屈服后塑性变状态下要保持竖向荷载和抗水平力的能力，这要求在设计时要合理设计柱端的抗弯能力，避免发生非延性的剪切破坏。
3.1“强柱弱梁”措施
增大柱端的抗弯能力，通过框架梁的塑性变形来减轻地震能量，因为构件产生塑性变形，可以耗散部分地震能量。
3.2“强剪弱弯”措施
用剪力增大系数增大组合剪力值，而且用增大后的剪力设计值来验算受剪截面控制条件和设计受剪承载力，避免脆性的剪切破坏的出现。混凝土自身的抗剪能力、骨料咬合力、纵筋销栓力和箍筋的拉力共同构成钢筋混凝土的抗剪能力，而在形成塑性后的混凝土的梁端抗剪能力会比非抗震时低。
3.3抗震构造措施
用构造措施来保证塑性铰的部位的延性，具体来说就是塑性转动能力和塑性耗能能力。对梁柱等构件来说，影响延性的根本因素是混凝土极限压应变和破坏时的受压区高度。
4.结语
主厂房是火电厂的核心，合理设计主厂房结构方式与体系，对保证工程质量、降低材料消耗和工程造价，加速施工进度和保证电厂安全运行等具有决定性作用。
关键字：火电厂；主厂房；抗震结构设计
Abstract: The main building structure is one involves an area wide, professional strong system, and it is closely related to the development of construction technology. This paper mainly introduces the design process of main building in seismic design of main building, seismic design and methods, and puts forward the corresponding measures for improvement.
Keywords: Thermal power plant main building; structural design;
引言
随着科学技术突飞猛进的发展，火力发电厂的单机容量不断增大，主厂房的设计方案越来越多。主厂房作为发电厂中最重要的建筑，它的结构选型、设计方案直接关系到能否满足发电要求及工程是否经济。
在人类所历经的各类自然灾害中，强烈地震是对生命线工程威胁最大的灾害之一。作为生命线工程的重要组成部分，电力系统一旦失效或遭到破坏，就会造成严重的灾害和难以估量的经济损失，电力中断不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，而且有可能引发火灾等次生灾害，严重威胁人们的生命和财产安全。
1．电厂土建结构抗震的现状
1.1电厂震害调查
进行震害调查、总结震害经验和教训是研究抗震极为重要的、主要的手段，它是地震造成的大规模原型试验。其相应建筑结构的薄弱环节将暴露无遗。为此，从60年代初开始进行有关地震调查工作。先后调查有关震区的电力设备的震害，如厂房的女儿墙就有倒塌，到9度地震时，主厂房框架破坏严重或倒塌，以及汽机房屋盖大面积塌落。
1.2动力特性的实测和试验
设计院和科研单位，对国内数十座发电厂、变电所的大量建（构）筑物进行过实测和试验工作，并充分揭示了各类结构的自振特性，以主厂房结构为例，在脉动和激振试验下，实测周期与计算周期比较。其计算周期均有偏长。另外，主厂房框排架结构复杂，质量和刚度分布不均，在实测和试验中明显反映出振动过程中伴随有扭转振动的特点。由于厂房结构型式变化和实测周期的数值变化不大，很难作出一个周期统计公式。但是，烟囱的自振周期随高度变化十分明显，且有统计规律，能建立相应经验公式。
1.3构件和节点的模型试验
唐山地震后，主厂房框排架结构的薄弱环节暴露比较充分，特别是节点区的破坏及钢筋焊接接头断裂。为此，曾在南京工学院进行了齿槽节点和钢筋剖口焊接头的抗震试验。为解决工程急需，建议了剖口加强焊接头型式，可适用千设防烈度为7、8度装配式结构的连接。此外，在钢—混凝土组合结构方面，还进行过外包钢混凝土等结构的有关抗震试验。
1.4抗震汁算
电厂结构一般按反应谱进行常规计算外，用计算模型检验在地震波作用下结构进入弹塑性状态的全过程，从而找出结构的薄弱环节，曾对几个钢筋混凝土结构的电厂主厂房计算后，表明：常规设计方法设计的电厂主厂房，基本满足抗震设防烈度的要求。但是，现有厂房还不能作到“强柱弱粱”结构，其抗震安全度各异，在强震作用下个别构件有可能严重破坏。同时，也表明未经抗震设计的厂房抗震潜力有限。由此说明，对安全性要求较高的主厂房，开展输入地震波考虑结构弹塑性影响的全过程分析很有必要。
1.5抗震构造的改进
火力发电厂主厂房，因工艺需要，其厂房有自身独特的特点，结构比较复杂。对于大机组的厂房尺寸和荷载较大，相应梁柱断面也较大。抗震构造按一般工业与民用建筑的有关规定执行困难较多、且不太合理。结合震害经验及试验研究分析进行了较多考虑，如柱的轴压比适当放宽，箍筋肢距稍为加大，粱端箍筋加密区根据大断面特点有所改进等，以及针对结构薄弱环节，对屋盖系统采取了加强措施。这些措施既保证了结构的安全，也方便了设计和施工。
2.主厂房设计中的抗震设计及分析
2.1主厂房设计中的抗震设计
火力发电厂的主厂房一般都是采用典型的框排架结构，根据研究已有的地震灾害发现火力发电厂的纵向震害小于横向震害。简化的地震反应计算方法，定义层间屈服强度系数为：
ξ（i）＝Qy（i）/Qe（i）。
其中Qy（i）为第i层的屈服剪力，Qe（i）为第i层弹性地震剪力。以各断面ξ（i）为震害判据，根据ξ（i）与震害的统计关系，判断各层震害，再综合判断整体震害。
预测流程主要为：将复杂结构简化成多自由度系统，用底部剪力法来计算水平方向上的地震力；采用结构力学中的方法，将连接框架与排架的细杆上的内力计算出来，并且解偶聯框架与排架；分别参照预测排架、框架所受震害的方法，计算出关键断面的ξ（i），然后进行比较，根据结果判断各断面所受的震害大小；最后综合判断主厂房所受的震害情况。现有的一些试验和钢筋混凝土实测应变分析表明，剪力墙承受结构的大部分抗震作用，剪力墙的屈服强度在很大程度上影响结构的承载能力和变形，其对应的屈服荷载接近于结构的极限荷载。在剪力墙屈服以后，其刚度降低，承受的剪力减少，框架的水平荷载最多可增加到总荷载的25%，连梁、框架梁柱很快随之屈服，于是整个结构发生侧移。由于模型结构的弹塑性性能逐步发展，结构的变形特点发展到以剪力变形为主的剪切性，但是结构的位移明显增加，剪力墙屈服达到最大荷载值时，相应的结构位移增幅高达200%。在地震波的作用下，结构的屈服顺序为：剪力墙根部→框架各层梁端→框架各柱根部。
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。
2.2发电厂主厂房设计中的分析法
2.2.1底部剪力法
适用于对于重量和刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m并以剪切变形为主（房屋高宽比小于4时）的结构，在振型分解反应谱法的基础上，针对某些建筑物的特定条件做进一步简化，而得到的一种近似计算水平地震作用的方法：将多自由度体系简化成单自由度体系，计算出结构总的地震作用（即结构底部剪力），再将其按倒三角形原则分配到各个楼层，计算结构内力。
2.2.2振型分解反应谱法
适用于除上述底部剪力法外的建筑结构，它是把多自由度体系分解成若干个单自由度体系振动的组合，并利用单自由度体系的反应谱理论计算各个振型振动的地震作用，最后将各个振型计算出的地震效应按一定的规则组合起来，求出总的地震响应。
2.2.3时程分析法
适用于在《抗震规范》规定，重要的工程结构，例如：大跨桥梁，特别不规则建筑、甲类建筑，高度超出规定范围的高层建筑应采用时程分析法进行补充计算。其基本原理是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而可计算出构件内力的时程变化关系。由此可知，在发电厂主厂房的设计中主要还是采用时程分析法。
3.电厂主厂房的抗震措施
钢筋混凝土结构要有“高延性要求”，要求在较大的屈服后塑性变状态下要保持竖向荷载和抗水平力的能力，这要求在设计时要合理设计柱端的抗弯能力，避免发生非延性的剪切破坏。
3.1“强柱弱梁”措施
增大柱端的抗弯能力，通过框架梁的塑性变形来减轻地震能量，因为构件产生塑性变形，可以耗散部分地震能量。
3.2“强剪弱弯”措施
用剪力增大系数增大组合剪力值，而且用增大后的剪力设计值来验算受剪截面控制条件和设计受剪承载力，避免脆性的剪切破坏的出现。混凝土自身的抗剪能力、骨料咬合力、纵筋销栓力和箍筋的拉力共同构成钢筋混凝土的抗剪能力，而在形成塑性后的混凝土的梁端抗剪能力会比非抗震时低。
3.3抗震构造措施
用构造措施来保证塑性铰的部位的延性，具体来说就是塑性转动能力和塑性耗能能力。对梁柱等构件来说，影响延性的根本因素是混凝土极限压应变和破坏时的受压区高度。
4.结语
主厂房是火电厂的核心，合理设计主厂房结构方式与体系，对保证工程质量、降低材料消耗和工程造价，加速施工进度和保证电厂安全运行等具有决定性作用。