1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 大 容 量 火 力 发 电 厂 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联合 结 构 关 键 技 术 研 究 陈路遥，仇俊，陈飞，干梦军 华 东 电 力 设 计 院有 限 公 司，上海 200063 Research on Key Technology of Large-capacity thermal power plant high-level main building and Boiler Steel Frame Joint Structure Chen Luyao，Qiu Jun,Chen Fei,Gan Mengjun East China
2、 Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China 摘要：某大容量火力发电厂建设 1X1350MW 机 组，为 满 足 工 艺 对 两 厂 房 在 运 转 层 处 相 对 位 移 要 求，高 位 机 厂 房 与 锅 炉钢 架 联 合 布 置。高 位 机 厂 房 采 用 框 架 剪 力 墙 结 构 体 系，锅 炉 钢 架 采 用 框 架 偏 心 支 撑 结 构 体 系，两 结 构 间 采 用 屈 曲 约 束 支撑 桁 架 连 接。本 工 程 采 用 抗 震 性 能 设 计，高 位 机 厂 房 及 锅 炉 钢 架 采 用
3、单 独 模 型 及 联 合 模 型 包 络 设 计。高 位 机 厂 房 单 独 模型层间位移角、楼层最大位移比、层间位移比均满足规范要求。分别采用 YJK、MIDAS、SAP2000 对联合模型进行模态 分 析，计 算 得 周 期 接 近，振 型 形 状 接 近。经 分 析 屈 曲 约 束 支 撑 在 小 震 及 风 荷 载 作 用 下 保 持 弹 性，大 震 下 屈 曲 耗 能。联合结构小震及风荷载作用下高位运转层层间位移角满足工艺限值要求。关键词：大容量火电；高 低 位 布 置；联合厂房；屈曲约束支撑；性能设计；弹塑性分析 ABSTRACT:A large-capacity thermal
4、 power plant is constructed with 1X1350 MW units.In order to meet the requirements for the relative displacement of the two plants at the operating layer,the high-level machine building and the boiler steel frame are combined together.The high-level machine building uses the frame shear wall structu
5、re system,the boiler steel frame adopts the frame eccentric support structure system,and the Bucking Restraint Bracing truss is used between the two structures.The project adopts seismic performance design,and the high-level machine building and boiler steel frame adopt separate model and joint mode
6、l envelope design.The displacement angle between the layers of the high-level machine building,the maximum displacement ratio of the floor,and the displacement ratio between the layers all meet the requirements of the specification.The modal analysis of the joint model is carried out by YJK,MIDAS an
7、d SAP2000 respectively,and the calculated cycle was close,and the shape of the mode was close.After analysis,the buckling restraint braces maintain elasticity under small earthquakes and wind loads,and buckling energy under large earthquakes.The joint displacement angle of the high-level operation l
8、ayer under the joint structure small earthquake and wind load meets the process limit requirements.The elastoplastic analysis of the structure shows that the displacement angles of the high-level machine building and the boiler steel frame under the large earthquake meet the requirements of the spec
9、ification.KEY WORD:Large-capacity thermal power;high and low position;joint plant;buckling restraint brace;performance design;elastoplastic analysis 1 工 程 概 况 某 火 力 发 电 厂 建 设 1x1350MW 机 组，采 用 双轴 高 低 位 布 置。其 中 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联 合布 置，高 位 机 厂 房 采 用 框 架 剪 力 墙 结 构 体 系，高位 机 运 转 层 位 于 82.8m，总 高 度 约 107
10、m。锅 炉 钢架 总 高 约 135m，采 用 钢 框 架 偏 心 支 持 结 构 体 系。本 工 程 汽 机 高 位 布 置，缩 短 了 六 大 管 道 的 长度，却 对 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 之 间 的 相 对 变 形控 制 提 出 了 更 加 严 苛 的 要 求。如 果 高 位 机 厂 房 与锅 炉 钢 架 脱 开 布 置，两 者 在 地 震 或 风 荷 载 作 用 下单 独 变 形，会 出 现 较 大 的 相 对 位 移，对 连 接 于 两者 之 间 的 管 线 很 不 利。本 工 程 将 高 位 机 厂 房 与 锅炉 钢 架 联 合 布 置，利 用 屈 曲 约 束
11、支 撑 体 系 将 高 位 2019 年中国电机工程学会年会论文集 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 连 接 起 来，协 调 变 形。高 位 机厂 房 与 锅 炉 钢 架 间 在 26m、58m、70m 分 别 设 置水 平 连 接 桁 架，水 平 桁 架 采 用 屈 曲 约 束 支 撑。图 1 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联 合 结 构 2.结 构 主 要 设 计 参 数 高 位 机 厂 房 抗 震 设 计 按 照 电 力 设 施 抗 震 设计 规 范 GB50260-20131 和 火 力 发 电 厂 土 建 结构 设 计 技 术 规 程 DL5022-20122，并 参 考 建
12、筑 抗 震 设 计 规 范 GB50011-2010(2016 版)3。本 工 程 设 计 基 准 期 50 年，结 构 抗 震 设 防 类 别为 乙 类，抗 震 设 防 烈 度 为 6 度（0.05g）。基 本 风压 0.40kN/m2，场 地 类 别 B 类。框 架 梁、柱、剪力 墙 混 凝 土 强 度 等 级 基 础 顶 面 至 40m 层 C50,40m层 至 屋 面 C40。2.1 结构规则性超限信 息 根 据 建 筑 抗 震 设 计 规 范 GB50011-20103判 别 结 构 规 则 性 超 限 信 息 如 表 1 所 示。表 1 结 构 规 则 性 信 息 1 在规定水平力
13、作用下，楼层最大位移 比1.15，楼 层 层间位移比1.32 2 楼 板 局 部 不 连 续，82.8m 层 有 效 楼 板 宽 度 为 该 层 典 型楼板宽度的52%。3 侧 向 刚 度 不 规 则，层 侧 向 刚 度 与 相 邻 上 一 层 的 70%，其 上 相 邻 三 个 楼 侧 向 刚 度 平 均 值 的 80%的 比 值 最 小 值为0.29（汽机基座支撑层）。4 局 部 收 进：46m 层 局 部 收 进 水 平 向 尺 寸 为 相 邻 下 一 层35.6%。5 抗 侧 力 结 构 的 层 间 受 剪 承 载 力 比 最 小 值 0.38(汽 机 基座支撑层)2.2 荷载取值 设
14、 备 及 管 道 荷 载 根 据 工 艺 专 业 提 供 的 主 要 设备 及 管 道 荷 载 施 加，楼 面 活 荷 载 按 照 火 力 发 电厂 土 建 结 构 设 计 技 术 规 程(DL-5022-2012)施加。因 检 修 荷 载 及 吊 车 吊 重 不 参 与 地 震，故 本 工程 采 用 两 种 荷 载 模 型，一 种 为 地 震 工 况 下 荷 载 模型，一 种 为 非 地 震 工 况 荷 载 模 型，两 种 模 型 取 包络 计 算。地 震 工 况 活 荷 载 模 型 包 括 工 艺 管 道 荷 载、设 备 荷 载、吊 车 自 重 及 楼 面 活 荷 载。非 地 震 荷 载工
15、 况 活 荷 载 包 括 工 艺 管 道 荷 载、设 备 荷 载 及 检 修荷 载、楼 面 活 荷 载（不 与 检 修 荷 载 同 时 施 加）、吊车 荷 载。3 结 构 体 系 概 述 及 结 构 布 置 3.1 高位机厂房结构布 置 高 位 机 房 采 用 框 架 剪 力 墙 结 构。主 要 楼 层为:8.6m（汽 动 给 水 泵 支 承 层）、17m、26m、31m、33.32m(煤 斗 支 承 层)、40m、46m（皮 带 层）、58m（除 氧 器 层）、70m、79.265m（汽 机 基 座 支 承 层）、82.8m（运 转 层）及 107m（屋 面）。汽 动 给 水 泵置于 8.6
16、m 层、汽 机 基 座 支 承 于 79.265m 层，均采 用 弹 簧 隔 振 基 础。图 2 高 位 机 房 17.00m 层 结构布 置 图 图 3 高 位 机 房 33.32m 煤 斗 支 撑 层 结 构 布 置 图 2019 年中国电机工程学会年会论文集 图 4 高 位 机 房 58m 除 氧 器 层 结 构 布 置 图 图 5 高 位 机 房 82.80m 运 转 层 结 构 平 面 布 置 图 3.2 联合模型连接桁架 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 在 82.80m 运 转 层 位置 有 管 道 相 连，制 造 厂 要 求 高 位 机 厂 房 及 锅 炉 钢架在设防地震
17、及风荷载作用下相对位移小于15mm，以减小 两结 构间 管 道因相 对变 形产 生的附 加 应 力，保 护 设 备 及 管 道。高 位 机 厂 房 为 框 架剪 力 墙 结 构，锅 炉 钢 架 为 钢 框 架 支 撑 结 构，两 结构 体 系 相 差 较 大，质 量 及 刚 度 分 布 不 均 匀，分 别在 26m、58m、70m 处 设 置 屈 曲 约 束 支 撑 水 平 支撑 桁 架 连 接 两 结 构，联 合 模 型 如 图 6 所 示，屈 曲约 束 支 撑 布 置 如 图 7 所示。图 6 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联 合 模 型 图 7 屈 曲 约 束 支 撑 设 置
18、普 通 钢 支 撑 在 大 震 下 会 产 生 屈 曲 破 坏，与 支撑 连 接 的 构 件 受 到 极 大 的 不 平 衡 力 作 用，对 高 位机 厂 房 及 锅 炉 钢 架 主 梁 柱 造 成 极 大 的 不 利 作 用。屈 曲 约 束 支 撑 在 大 震 下 进 入 屈 服 耗 能 阶 段，吸 收一 部 分 地 震 能 量，保 护 主 体 结 构。屈 曲 约 束 支 撑截 面 较 普 通 支 撑 截 面 小，整 体 结 构 刚 度 较 小，周期 较 大，结 构 整 体 地 震 力 小。故 本 工 程 高 位 机 厂房 与 锅 炉 钢 架 间 连 接 桁 架 采 用 屈 曲 约 束 支
19、撑。屈曲 约 束 支 撑 采 用 中 震 及 风 荷 载 不 屈 服 设 计，大 震下 支 撑 屈 曲 耗 能。4 高 位 机 厂 房 单 独 模 型 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联 合 结 构 采 用 单 独 模型 与 联 合 模 型 包 络 设 计。高 位 机 厂 房 采 用 YJK、MIDAS、SAP2000 软 件 建 模 计 算，厂 房 计 算 模 型 2019 年中国电机工程学会年会论文集 如 图 8 所 示。图 8 高 位 机 房 计 算 模 型 表 2 高 位 机 房 振 型 振型 1 2 3 4 5 6 周期(s)2.17 1.95 1.63 0.82 0.79
20、0.58 图 9 一 阶 振 型 X 向 平 动（T=2.17s）图 10 二 阶 振 型 Y 向 平 动（T=1.95s）图 11 三 阶 振 型 扭 转（T=1.646s）规 定 水 平 力 作 用 下 底 层 框 架 部 分 承 受 的 地 震倾 覆 力 矩 与 结 构 总 地 震 倾 覆 力 矩 的 比 值 X 向35.6%，Y 向 30.1%，可 按 框 架 剪 力 墙 结 构 设 计。图 12 规 定 水 平 力 下 框 架 柱 与 剪 力 墙 倾 覆 弯 矩 规 定 水 平 力 下X 方 向 最 大 位 移 与 层 平 均 位 移的 比 值 为 1.09，X 方 向 最 大 层
21、间 位 移 与 平 均 层 间位 移 的 比 值 为 1.09；Y 方 向 最 大 位 移 与 层 平 均 位移 的 比 值 为 1.08，X 方 向 最 大 层 间 位 移 与 平 均 层间 位 移 的 比 值 为 1.19，满 足 规 范 限 值 要 求。图 13 规 定 水 平 力 作 用 下 楼 层 最 大 位 移 比 简 图 图 14 规 定 水 平 力 作 用 下 层 间 位 移 比 简 图 地 震 和 风 荷 载 作 用 下 楼 层 最 大 层 间 位 移 角 如表 3 及 图 15 所 示，各 楼 层 层 间 位 移 角 均 满 足 建 2019 年中国电机工程学会年会论文集
22、筑 抗 震 设 计 规 范(GB50011-2010)3 的 要 求。表 3 地 震 及 风 荷 载 作 用 下 最 大 层 间 位 移 角 荷 载 工 况 方向 最 大 层 间 位 移 角 地震 X 向 1/2727 Y 向 1/3066 风 荷 载 X 向 1/3027 Y 向 1/2041 图 15 最 大 层 间 位 移 角 简 图 5 联 合 模 型 模 态 分 析 分 别 采 用 盈 建 科 V1.9、MIDASV8.65、SAP2000V19 软 件 建 立 高 位 机 厂 房 及 锅 炉 钢 架 联合 模 型。进 行 模 态 分 析 结 果 如 表 4 所 示，前 三 阶 振
23、型 如 图 16 图 18 所示。由 图 表 可 见，三 软 件 计 算 得 联 合 结 构 周 期 接 近，模 型 的 振 型 形 状 接 近。表 4 联 合 模 型 模 态 分 析 模态 YJK SAP2000 MIDAS 结构 总质量（t）155145.1 161884.5 159690.2 1 2.4581 2.497 2.5470 2 2.1231 2.182 2.2093 3 2.0146 2.076 2.1083 4 1.534 1.563 1.5946 5 1.3461 1.364 1.4000 6 1.2814 1.297 1.3152 图 16 一 阶 振 型（X 向 平
24、动）图 17 二 阶 振 型（Y 向 平 动）图 18 三 阶 振 型（扭 转 振 型）6 联 合 模 型 多 遇 地 震 反 应 谱 分 析 6.1 多遇地震作用下层 位 移与层间位移角 联合 模 型 多 遇 地 震 下 层 位 移 与 层 间 位 移 角 如表 5，图 19 图 22 所 示。由 图 表 可 见，高 位 机厂 房 在 地 震 作 用 下 最 大 层 间 位 移 角 远 小 于 框 架 剪力 墙 结 构 层 间 位 移 角 限 值 1/800，锅 炉 钢 架 在 多遇 地 震 下 层 间 位 移 角 远 小 于 多、高 层 钢 结 构 层 间位 移 角 限 值 1/250。Y
25、JK MIDAS SAP2000 YJK MIDAS SAP2000 YJK MIDAS SAP2000 2019 年中国电机工程学会年会论文集 表 5 联 合 模 型 多 遇 地 震 层 位 移 及 最 大 层 间 位 移 角 结构 方向 最大层间 位移角 最大位移(mm)高位机厂房 X 向 1/3401 17 Y 向 1/3435 17 锅炉钢架 X 向 1/3249 31.6 Y 向 1/4574 24.7 图 19 多 遇 地 震 作 用 下 高 位 机 房 层 间 位 移 角.图 20 多 遇 地 震 作 用 下 高 位 机 房 楼 层 位 移 图 21 多 遇 地 震 作 用 下
26、锅炉钢架 层间位移 角 图 22 多 遇 地 震 作 用 下 锅 炉 钢 架 楼 层 位 移 6.2 屈曲支撑内力 屈 曲 约 束 支 撑 在 地 震 作 用 下 内 力 如 表 6、图 23、图 24 所 示。由 图 表 可 见，屈 曲 约 束 支 撑 在多 遇 地 震 下 受 力 较 屈 服 承 载 力 小，未 屈 服。屈 曲约 束 支 撑 受 力 最 大 值 为 414.5kN，在 70m 层最外侧 支 撑 受 力 最 大。表 6 多 遇 地 震 下 屈 曲 支 撑 最 大 内 力 支 撑 类 别 屈 服 承 载 力 Nby(kN)X 向最大 内力(kN)Y 向 最 大 内力(kN)BR
27、B140 3200 414.5 603.0 BRB100 1400 263.3 117.6 BRB80 850 48.6 170.3 BRB80 850 162.4 84.3 BRB70 650 65.9 71.4 BRB90 1000 129.3 242.9 图 23 X 向 地 震 作 用 下 屈 曲 约 束 支 撑 内 力 2019 年中国电机工程学会年会论文集 图 24 Y 向 地 震 作 用 下 屈 曲 约 束 支 撑 内 力 6.3 高位运转层两结构 相 对位移 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 高 位 机 厂 房 与 锅炉钢架 82m 处 相 对 位 移。因 高 位
28、 机 厂 房 各 节 点 位移 相 近，锅 炉 钢 架 由 于 扭 转 效 应 两 侧 位 移 相 差 较大，故 高 位 机 厂 房 选 取 一 点，锅 炉 钢 架 由 于 扭 转效 应 两 侧 位 移 相 差 较 大，故 高 位 机 厂 房 选 取 一 点，锅 炉 钢 架 选 取 左 右 侧 主 钢 架 柱 两 点。图 25 82.m 层 相 对 位 移 节 点 选 取 表 7 小 震 反 应 谱 分 析 相 对 位 移 相对位移位置 EX EY L(m m)6.54 3.11 R(m m)6.53 3.13 注：L(m m)为锅炉左侧节点与高位机厂房相对位移；R(mm)为锅炉右侧节点与高位
29、机厂房相对位移。由 上 表 可 见，多 遇 地 震 作 用 下，高 位 机 厂 房与锅炉钢架相对位移小于制造厂相对位移限值15mm。7 联 合 模 型 风 荷 载 响 应 分 析 7.1 风荷载作用下层位 移 与层间位移角 风 荷 载 层 位 移 与 层 间 位 移 角 如 表 8、图 26、图 27 所 示。由 图 表 可 见，高 位 机 厂 房 在 风 荷 载作 用 下 最 大 层 间 位 移 角 远 小 于 框 架 剪 力 墙 结 构 层间 位 移 角 限 值 1/800。表 8 高 位 机 厂 房 风 荷 载 作 用 下 最 大 层 间 位 移 角 与 最 大 位 移 方向 最大层间位
30、移角 最大位移(mm)X 向 1/2516 24.4 Y 向 1/3481 18.8 图 26 风 荷 载 作 用 下 高 位 机 房 层 间 位 移 角 图 27 风 荷 载 作 用 下 高 位 机 房 楼 层 位 移 7.2 屈曲约束支撑内力 屈 曲 约 束 支 撑 在 风 荷 载 作 用 下 内 力 如 下 图 表所 示，由 图 表 可 见，支 撑 在 风 荷 载 作 用 下 受 力 较屈服承载力小，未屈服。支撑受力最大值为1194kN，在 70m 层 最 外 侧 支 撑 受 力 最 大。表 9 屈 曲 约 束 支 撑 受 力 支 撑 类 别 屈 服 承 载 力 Nby(kN)X 向最大
31、 内力(kN)Y 向最 大 内力(kN)BRB140 3200 143.8 1194.0 BRB100 1400 535.2 189.8 BRB80 850 14.6 20.5 BRB80 850 358.3 108.1 BRB70 650 123.5 22.7 BRB90 1000 28.3 347.5 2019 年中国电机工程学会年会论文集 图 28 X 向 风 荷 载 作 用 下 屈 曲 约 束 支 撑 内 力 图 29 Y 向 风 荷 载 作 用 下 屈 曲 约 束 支 撑 内 力 7.3 高位运转层两结构 相 对位移 选 取 高 位 机 厂 房 运转 层 5-H5 轴 节 点；锅 炉
32、钢架 82m 层2.5mx2.5mx0.06m 矩形柱左 右 侧 节点输 出 节 点 位 移，计 算 结 构 相 对 位 移 如 表 10 所示。表 10 风 荷 载 作 用 下 相 对 位 移 荷载 节点位置 相对位移(mm)WIND+X 锅炉左侧节点 12.2 锅炉右侧节点 11.76 WIND+Y 锅炉左侧节点 6.65 锅炉右侧节点 6.85 由上 表 可 见，X 向 风 荷 载 作 用 下，82m 高位机 房 与 锅 炉 钢 架 间 最 大 相 对 位 移 为 12.20mm，Y向 风 荷 载 作 用 下 最 大 相 对 位 移 为 6.85mm，均满足 工 艺 要 求 的 15mm
33、 位 移 限 值。8 结论 本 文 对 某 大 容 量 火 力 发 电 厂 高 位 机 厂 房 与 锅炉 钢 架 联 合 结 构 研 究。高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联合 布 置 结 构 形 式 新 颖，结 构 设 计 难 度 大。本 文 采用 多 个 软 件 建 立 结 构 有 限 元 模 型，系 统 分 析 了 联合 结 构 的 设 计 关 键 技 术，得 出 以 下 结 论：（1）本 工 程 由 于 工 艺 设 备 布 置 要 求，结 构 存在 竖 向 及 水 平 向 不 规 则，如 高 位 机 运 转 层 楼 板 局部 不 连 续，结 构 侧 向 刚 度 不 规 则，抗 侧
34、 力 结 构 层间 受 剪 承 载 力 比 超 限，楼 层 存 在 局 部 收 进 等，本工 程 进 行 弹 塑 性 分 析 并 采 用 抗 震 性 能 设 计 对 薄 弱部 位 采 取 加 强 措 施。（2）本 工 程 高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 间 采 用 三层 屈 曲 约 束 支 撑 水 平 桁 架 连 接，支 撑 桁 架 标 高 根据 高 位 机 厂 房 及 锅 炉 钢 架 刚 性 层 位 置 及 管 道 布 置确定为 26m、58m、70m。（3）高 位 机 厂 房 与 锅 炉 钢 架 联 合 结 构 采 用 单独 模 型 与 联 合 模 型 包 络 设 计。（4）高 位
35、 机 厂 房 单 独 模 型 规 定 水 平 力 作 用 下高 位 机 厂 房 框 架 部 分 承 受 倾 覆 力 矩 满 足 框 架 剪 力墙 结 构 要 求，地 震 和 风 荷 载 作 用 下 最 大 层 间 位 移角 1/2041，远 小 于 1/800 现 值。（5）联 合 模 型 多 遇 地 震 反 应 谱 分 析，高 位 机厂 房 最 大 层 间 位 移 角 1/3401，锅 炉 钢 架 1/3249。屈 曲 约 束 支 撑 在 多 遇 地 震 下 未 屈 服，高 位 机 运 转层 两 结 构 最 大 相 对 位 移 6.54mm，满 足 制 造 厂 要求。（6）联 合 模 型 风
36、 荷 载 作 用 下 高 位 机 厂 房 最 大层 间 位 移 角 1/2516，远 小 于 规 范 限 值 1/800，屈曲 约 束 支 撑 受 力 最 大 值 1194kN,为 70m 层 最 外 侧支 撑。风 荷 载 作 用 下 运 转 层 最 大 相 对 位 移12.20mm，满 足 工 艺 要 求 的 15mm 限 值 要 求。参 考 文 献 1 电 力 设 施 抗震 设 计 规 范.GB50260-2013S.北 京：中 国 计划 出版社，2012.2 火 力 发 电 厂土 建 结 构 设计 技 术 规程：DL5022-2012S.北京：中 国 计 划 出 版 社，2012.3 建 筑 抗 震 设计 规 范:GB50011-2010S.北 京：中 国 建 筑 工业 出版社，2010.4 王亚勇.关 于设 计 反 应 谱、时 程法 和 能 量 方 法 的探 讨J.建筑结构学报,2000,21(1):21-28.作 者 简 介：陈 路 遥（1988-），男，江 苏，研 究 生，工 程 师，电 力 土 建 结 构 及 新 能源 够 设 计
