1000MW1000MW 机组主厂房钢结构的思考机组主厂房钢结构的思考华东电力设计院 华东电力设计院

陈峥陈峥

上海外高桥三期上海外高桥三期

国电泰州电厂国电泰州电厂

我院设计目前主厂房 采用钢结构我院设计目前主厂房 采用钢结构百万级厂有百万级厂有 ::

上海外高桥二期 , 三期 ( 已投产 )

华能玉环一二期 ( 已投产 )国电泰州电厂 ( 已投产 )国电北仑电厂 ( 已投产 )上海漕泾电厂华润彭城电厂

我院设计目前主厂房 采用钢混凝土我院设计目前主厂房 采用钢混凝土结构结构百万级厂有百万级厂有华能金陵电厂华能金陵电厂常熟电厂常熟电厂三吉利新密电厂三吉利新密电厂华能南通电厂华能南通电厂徐州电厂徐州电厂 …………………………………………

主厂房结构特点主厂房结构特点

受工艺制约，结构不规则性受工艺制约，结构不规则性大荷重，且布置不合理 大荷重，且布置不合理 结构的整体尺寸长，局部薄弱（孔洞）等 结构的整体尺寸长，局部薄弱（孔洞）等 完整合理的传力体系建构困难 完整合理的传力体系建构困难

火电厂主厂房结构的复杂性和火电厂主厂房结构的复杂性和抗震设计难点抗震设计难点

火电厂主火电厂主厂房结构厂房结构

民用建民用建筑结构筑结构

尺寸大、最大梁尺寸大、最大梁高超过高超过 33 米，体米，体系复杂、错层多，系复杂、错层多，必须满足工艺流必须满足工艺流程布置，属于不程布置，属于不利抗震结构利抗震结构

构件尺寸常构件尺寸常规，体系布规，体系布置规则、整置规则、整齐，有利于齐，有利于

抗震设计抗震设计

刚度偏心严重，刚度偏心严重，地震时扭转反应地震时扭转反应剧烈，构件及节剧烈，构件及节点设计难度大点设计难度大

刚度均匀，刚度均匀，设计计算容设计计算容易满足要求易满足要求

6000~70006000~7000吨煤斗设备重布吨煤斗设备重布置于结构的中上置于结构的中上部，地震作用大部，地震作用大

荷重规模小、荷重规模小、均匀，地震均匀，地震作用相对平作用相对平

缓缓

煤斗重 6000～ 7000吨

主厂房结构的基本要求主厂房结构的基本要求

11 ）在满足工艺的前提下，选择）在满足工艺的前提下，选择””先天先天””合理合理的结构体系，合理荷载传递路线的结构体系，合理荷载传递路线

２）应具备必要的抗侧承载能力，良好的变２）应具备必要的抗侧承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力形能力和消耗地震能量的能力

３）采用多道抗震设防，部分结构或构件的３）采用多道抗震设防，部分结构或构件的破坏不应导致整个体系丧失承载能力；合破坏不应导致整个体系丧失承载能力；合理的结构支撑布置系统理的结构支撑布置系统

４）方便安全可靠施工４）方便安全可靠施工

• 大型火电厂主厂房钢结构抗震设计技术大型火电厂主厂房钢结构抗震设计技术研究报告研究报告

报告之一：钢结构工业厂房震害资料调查报告报告之一：钢结构工业厂房震害资料调查报告报告之二：美国规范有关钢结构抗震内容的介绍及与中报告之二：美国规范有关钢结构抗震内容的介绍及与中

国规范的若干对比国规范的若干对比报告之三：大型火电厂钢结构节点滞回性能试验研究报告之三：大型火电厂钢结构节点滞回性能试验研究报告之四：大型火电厂主厂房钢结构振动台模拟地震试报告之四：大型火电厂主厂房钢结构振动台模拟地震试

验验报告之五：大型火电厂主厂房地震反应分析报告之五：大型火电厂主厂房地震反应分析报告之六：大型火电厂主厂房钢结构抗震性能研究报告之六：大型火电厂主厂房钢结构抗震性能研究报告之七：钢结构主厂房空间和平面计算分析比较报告之七：钢结构主厂房空间和平面计算分析比较

课题成果课题成果震害调查表明：震害调查表明：设计合理的钢结构体系一般都具有较好的延设计合理的钢结构体系一般都具有较好的延

性，能够抵御大地震的袭击而很少发生整性，能够抵御大地震的袭击而很少发生整体性的倒塌。构件破坏、节点破坏、结构体性的倒塌。构件破坏、节点破坏、结构中某些楼层的集中耗能造成过大变形甚至中某些楼层的集中耗能造成过大变形甚至产生机构行为、以及非结构构件的破坏是产生机构行为、以及非结构构件的破坏是钢结构在强震中可能产生的主要破坏形式。钢结构在强震中可能产生的主要破坏形式。

（灾后恢复 抢修）（灾后恢复 抢修）

课题成果课题成果

结构自振特性结构自振特性 模型结构的前模型结构的前 33 阶频率相当接近。这阶频率相当接近。这 33 阶阶

频率分别对应以两个方向平动振动和扭转频率分别对应以两个方向平动振动和扭转振动为主的结构空间振动为主的振型。振动为主的结构空间振动为主的振型。

• 结构变形反应都呈现扭转特征，高度突出结构变形反应都呈现扭转特征，高度突出其他部分的煤仓间的皮带层部分相对其余其他部分的煤仓间的皮带层部分相对其余各层产生较大层间变形。各层产生较大层间变形。

课题成果课题成果 大开孔楼板的楼面刚度作用大开孔楼板的楼面刚度作用 虽然楼面板有较大开口，各楼层楼板率虽然楼面板有较大开口，各楼层楼板率

（楼板面积与该层总面积之比）相差很大，（楼板面积与该层总面积之比）相差很大，但模型结构各方向各框架的水平变形是协但模型结构各方向各框架的水平变形是协调的，结构自振特性中的扭转变形特点也调的，结构自振特性中的扭转变形特点也表明，楼板使刚度不同、质量负担不同的表明，楼板使刚度不同、质量负担不同的框架共同工作。框架共同工作。

““薄弱层薄弱层””位置位置 煤仓间的皮带层部分，柱子截面有较大收煤仓间的皮带层部分，柱子截面有较大收缩，皮带层因工艺原因跨度方向支撑仅偏缩，皮带层因工艺原因跨度方向支撑仅偏置于结构单侧，梁柱连接仍然采取铰接方置于结构单侧，梁柱连接仍然采取铰接方式，在实验模型振动中形成明显的式，在实验模型振动中形成明显的““薄弱薄弱层层””。。

课题成果课题成果 结构构件破坏和结构残余变形 结构构件破坏和结构残余变形 最终结构没有发生倒塌型破坏，但有显著层间残余变最终结构没有发生倒塌型破坏，但有显著层间残余变

形。 形。 结构抗震性能整体评价 结构抗震性能整体评价 从实验结果评价，模型结构在相当于从实验结果评价，模型结构在相当于 88 度罕遇（相当度罕遇（相当于于 99 度设防）的地震作用下的最大层间相对变形约为度设防）的地震作用下的最大层间相对变形约为1/571/57 ，仍能满足，仍能满足 1/501/50 变形限值的规定，实现了变形限值的规定，实现了““不不倒倒””的要求，结构体系总体上可行。但由于火电厂特的要求，结构体系总体上可行。但由于火电厂特殊工艺要求而造成的结构布置不规则等问题还可经设殊工艺要求而造成的结构布置不规则等问题还可经设计调整加以改进。 计调整加以改进。

主厂房布置及结构设计主厂房布置及结构设计

主厂房布置按汽机房、除氧间、煤仓间布置 主厂房布置按汽机房、除氧间、煤仓间布置 汽机房及除氧煤仓间纵向第一档汽机房及除氧煤仓间纵向第一档 9.59.5 米，最后三米，最后三档柱距档柱距 1111米，其余柱距均为米，其余柱距均为 1010 米， 米， #1#1 机纵机纵向共向共 1111档，档， #2#2机纵向机纵向 1212 档，机组之间插入档，机组之间插入距为距为 1.1.44 米。总长度为米。总长度为 210210 ～～ 233.9233.9米。输米。输煤皮带在煤皮带在 22 头部进入主厂房，汽机房跨度头部进入主厂房，汽机房跨度 2727到到 34.0034.00米，除氧间跨度米，除氧间跨度 99 到到 10.010.0米，煤仓米，煤仓间跨度间跨度 12.512.5 到到 14.014.0米。米。

汽机房汽机房

汽机房内夹层标高为汽机房内夹层标高为 8.608.60米，运转层米，运转层为为 17.00 17.00 米，内设二台米，内设二台 130130t/25tt/25t 桥式桥式起重机，轨顶标高为起重机，轨顶标高为 30.7030.70米，吊车米，吊车跨度为跨度为 33.0033.00米米。。

除氧煤仓间除氧煤仓间

除氧间在除氧间在 8.608.60 、、 17.0017.00 、、 25.0025.00 米层米层布置高低压加热器，除氧器布置在布置高低压加热器，除氧器布置在34.50 34.50 米层。煤仓间底层每台炉布米层。煤仓间底层每台炉布置置 66 台磨煤机，台磨煤机， 20.50 20.50 米层布置米层布置给煤机，给煤机， 45.545.5 米层为输煤皮带层米层为输煤皮带层。。

推荐钢结构方案的理由推荐钢结构方案的理由可持续发展可持续发展结构先天条件好结构先天条件好结构抗震性能好结构抗震性能好施工相对快捷，便于工期、质量控制。施工相对快捷，便于工期、质量控制。施工期间各种支吊架等修改方便。施工期间各种支吊架等修改方便。 （（虽然钢结构投资较大虽然钢结构投资较大 ,, 但占总投资的比例较小，但占总投资的比例较小，较钢筋混凝土方案所增加的费用仅占工程总投资的较钢筋混凝土方案所增加的费用仅占工程总投资的0.3%0.3%。而且可缩短工期，其中施工可缩短。而且可缩短工期，其中施工可缩短 7.57.5个月。个月。从早投产早收益的角度来看，综合效益明显优于钢从早投产早收益的角度来看，综合效益明显优于钢筋混凝土方案。筋混凝土方案。设计周期可缩短设计周期可缩短 44个月）个月）

主厂房结构方案比较主厂房结构方案比较

主厂房（汽机房、除氧间、煤仓间）结构主厂房（汽机房、除氧间、煤仓间）结构方案技术经济比较方案技术经济比较钢结构方案钢结构方案钢筋混凝土方案钢筋混凝土方案。。

经济比较结果经济比较结果

钢结构方案需投资钢结构方案需投资 68968900 万元，万元，钢筋混凝土方案需投资 钢筋混凝土方案需投资 40240200 万元。万元。两方案投资差额两方案投资差额 28287070 万元。万元。由于钢筋混凝土方案主厂房体积增大，导由于钢筋混凝土方案主厂房体积增大，导

致工艺管道长度增加，另需增加投资致工艺管道长度增加，另需增加投资 202000万元。万元。

新版土规对主厂房结构的要求新版土规对主厂房结构的要求

主厂房钢结构均应按弹性设计进行内力计算。主厂房钢结构均应按弹性设计进行内力计算。主厂房钢结构可采用铰接框架加支撑体系或钢接框主厂房钢结构可采用铰接框架加支撑体系或钢接框架加支撑体系布置架加支撑体系布置 .. 锅炉炉架结构不宜与主厂房锅炉炉架结构不宜与主厂房结构结构 (( 由汽机房除氧间和煤仓间组成的结构由汽机房除氧间和煤仓间组成的结构 )) 相相连接连接 ..

主厂房框架各层楼板的梁板布置，应考虑厂房结构主厂房框架各层楼板的梁板布置，应考虑厂房结构的整体刚度和和受力合理，结合工艺设备管道布的整体刚度和和受力合理，结合工艺设备管道布置，采用横向承重或纵向承重的布置。框排架主置，采用横向承重或纵向承重的布置。框排架主梁与柱中心线宜布置在同一轴线上，各柱间梁宜梁与柱中心线宜布置在同一轴线上，各柱间梁宜设置在同一轴线上。设置在同一轴线上。

新版土规对主厂房结构的要求新版土规对主厂房结构的要求

66 、、 77 度区的厂房，可以采用铰接框架度区的厂房，可以采用铰接框架——支支撑体系， 撑体系， 88 、、 99 度区宜采用支撑度区宜采用支撑——刚接框刚接框架体系。架体系。水平支撑的设置要求水平支撑的设置要求

主厂房钢结构体系主厂房钢结构体系

汽机房为带支撑系统的钢框排架结构体系，桥式汽机房为带支撑系统的钢框排架结构体系，桥式起重机及钢屋架支承于钢柱上。汽机房、除氧起重机及钢屋架支承于钢柱上。汽机房、除氧间、煤仓间的每个温度区段纵向设有柱间垂直间、煤仓间的每个温度区段纵向设有柱间垂直支撑，以保证结构的稳定，并将纵向水平力传支撑，以保证结构的稳定，并将纵向水平力传至基础；横向每档在煤仓间设有柱间垂直支撑，至基础；横向每档在煤仓间设有柱间垂直支撑，以保证结构的横向刚度和传递横向水平力至基以保证结构的横向刚度和传递横向水平力至基础。各楼层根据需要设置水平支撑。汽机房在础。各楼层根据需要设置水平支撑。汽机房在屋架系统设有纵横向水平支撑及纵向垂直支撑。屋架系统设有纵横向水平支撑及纵向垂直支撑。煤仓间与锅炉构架间设炉前平台，平台结构一煤仓间与锅炉构架间设炉前平台，平台结构一端采用滑动支座，不传递水平力端采用滑动支座，不传递水平力 。 。

主厂房钢结构体系主厂房钢结构体系

汽机房汽机房 AA 、、 BB 排柱及梁采用排柱及梁采用焊接工字型断焊接工字型断面面；； 煤仓间煤仓间 CC 、、 DD 排柱采用排柱采用焊接箱型断焊接箱型断面面，，框架梁采用焊接框架梁采用焊接工字型断面和箱型断面工字型断面和箱型断面。。垂直支撑采用焊接箱型和轧制型钢断面。垂直支撑采用焊接箱型和轧制型钢断面。

主厂房钢结构计算模型主厂房钢结构计算模型

主厂房钢结构计算主厂房钢结构计算

主厂房设计计算分析采用主厂房设计计算分析采用 STAAD--ProSTAAD--Pro 软软件建立的三维有限元模型设计计件建立的三维有限元模型设计计 。其钢。其钢结构应力校核结果：结构应力校核结果：汽机房：应力比一般不超过汽机房：应力比一般不超过 0.950.95 ，除氧煤，除氧煤仓间：应力比个别杆件达到仓间：应力比个别杆件达到 0.9650.965 ，柱，柱子一般不超过子一般不超过 0.850.85，，

主厂房钢结构计算主厂房钢结构计算

由于大部分框架梁、柱采用抗弯连接，加由于大部分框架梁、柱采用抗弯连接，加上支撑体系，整个厂房基本设置了两道上支撑体系，整个厂房基本设置了两道抗震防线。 抗震防线。

钢结构施工图钢结构施工图

柱拼接节点柱拼接节点

梁柱铰接节点梁柱铰接节点

主厂房钢结构屋面主厂房钢结构屋面

钢屋架钢屋架屋面梁屋面梁网架结构网架结构

主厂房钢结构要继续思考的问题主厂房钢结构要继续思考的问题 为了全面把握不同设防地区、不同结构体系的为了全面把握不同设防地区、不同结构体系的火电厂主厂房钢结构抗震性能，提高抗震设计水火电厂主厂房钢结构抗震性能，提高抗震设计水平，提出需要继续研究的若干问题。 平，提出需要继续研究的若干问题。 （（ 11 ）关于锅炉架与主厂房钢结构相互连接的结）关于锅炉架与主厂房钢结构相互连接的结构形式构形式 （（ 22）关于主厂房的结构分块方案）关于主厂房的结构分块方案 （（ 33）关于合理耗能的构件布置方案）关于合理耗能的构件布置方案 （（ 44）关于减震设计）关于减震设计 （（ 55）关于空间结构弹塑性分析程序的完善）关于空间结构弹塑性分析程序的完善