湛江生物質(zhì)發(fā)電廠是目前全球單機(jī)容量最大的生物質(zhì)發(fā)電工程，其主廠房高度及跨度較大，且豎向荷載較大（14. 5m布置有料斗、16m層布置有除氧器、27m層布置有架空的皮帶機(jī)等質(zhì)量過于集中的設(shè)備），抗震問題較為突出。用普通混凝土計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)縱、橫向框架柱截面高寬比較大，且承受很大的豎向荷載，其軸壓比過大成為框架設(shè)計(jì)的突出問題。在其他電廠的主廠房計(jì)算中經(jīng)常碰到這種情況：框架柱的截面大小由軸壓比限值確定，而框架柱的配筋卻由構(gòu)造配筋率決定，這里就存在著不合理的地方，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)、秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
在主廠房結(jié)構(gòu)中應(yīng)用高強(qiáng)混凝土則可以顯著減小柱子的截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重和減小鋼筋用量，拉大柱距；另外還可以充分利用鋼筋的強(qiáng)度，具有明顯優(yōu)點(diǎn)，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，但高強(qiáng)混凝土在物理力學(xué)性能方面最主要的缺點(diǎn)是脆性較大、延性較差，不利于結(jié)構(gòu)抗震。為了在設(shè)計(jì)過程中改善高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文結(jié)合湛江生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目工程主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在混凝土及鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的選取、柱子軸壓比限值的選取、如何處理好程序計(jì)算與單個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)之間關(guān)系等方面闡述了所采取的相應(yīng)措施。
2、生物質(zhì)發(fā)電廠概況
本發(fā)電廠工程主要以湛江地區(qū)甘蔗葉和桉樹加工剩余物如樹皮、樹枝和木塊等為燃料發(fā)電。電廠規(guī)劃容量4×50 MW機(jī)組，本期工程建設(shè)2臺(tái)50MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，配2臺(tái)生物質(zhì)燃料220 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，預(yù)留再擴(kuò)建2×50 MW機(jī)組的條件。
本工程抗震設(shè)防基本烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0. i0 9。主廠房框架抗震等級(jí)為二級(jí)。
主廠房為常規(guī)四列式布置，由汽機(jī)房、除氧間、爐前料倉(cāng)間組成。汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)組縱向布置，除氧器露天布置于除氧間屋面，上料皮帶從主廠房固定端及擴(kuò)建端引入；集控樓布置在汽機(jī)房1～3軸之間，兩機(jī)一控設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方案充分體現(xiàn)了模塊化、物理分散的設(shè)計(jì)原則。
主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫向?yàn)榭蚺偶芙Y(jié)構(gòu)體系，由汽機(jī)房A排柱及屋蓋系統(tǒng)、除氧料倉(cāng)間框架組成，縱向由縱梁與柱構(gòu)成縱向框架受力體系，兩機(jī)之間不設(shè)變形縫，兩臺(tái)機(jī)主廠房一次建成。汽機(jī)房各層平臺(tái)與固定端、擴(kuò)建端連成整體，減少抗風(fēng)柱的計(jì)算高度，不另設(shè)抗風(fēng)桁架。
主廠房柱矩9m，縱向總長(zhǎng)88.0m(汽機(jī)房縱向總長(zhǎng)72.0 m);汽機(jī)房跨度24.0 m，除氧間跨度7.0 m，料倉(cāng)間跨度11.0m.A、B、C及D排柱均采用矩形斷面。A、B、D排柱斷面尺寸600 mm×1100 mm，C排柱斷面尺寸600mm×1200 mm。
3、高強(qiáng)混凝土在湛江生物質(zhì)電廠主廠房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
3.1混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選取
混凝土隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，其脆性也越大，因此合理的選取強(qiáng)度等級(jí)很重要。選取⑩軸與◎軸相交的柱子，柱子截面大小為600 mm×1 200mm。計(jì)算結(jié)果表明，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，柱子的軸壓比和層間位移角明顯減小。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)超過cso后，軸壓比和層間位移角減小的幅度減少，特別是當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)超過C55后層間位移角幾乎沒有減小，也就是說當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到一定程度后，繼續(xù)提高其強(qiáng)度等級(jí)對(duì)減小結(jié)構(gòu)的層間位移角作用不大，綜合考慮軸壓比和結(jié)構(gòu)的變形以及高標(biāo)號(hào)混凝土的脆性后，主廠房的混凝土強(qiáng)度等級(jí)最終選用C50。
該電廠主廠房中由于荷載分布不均，各層柱子的軸壓力差別較大。因此，主廠房框架的混凝土級(jí)別隨著軸壓比的減小而采用不同的等級(jí)：4m層和8m層為管道層，往上還有料斗及除氧器，框架柱軸壓力較大，因此考慮在8m層及以下采用C50,8m層以上則采用C40，而在以受彎為主的次梁、樓板結(jié)構(gòu)中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，這樣可以充分發(fā)揮混凝土的強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)期的目的。
3.2鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的選取
高強(qiáng)混凝土的變形能力較差，而混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗震能力與其延性密切相關(guān)，因此需要適當(dāng)增強(qiáng)構(gòu)件的延性。
高強(qiáng)混凝土的脆性隨著強(qiáng)度提高而增大，所以在主要受力截面上的受壓區(qū)高強(qiáng)混凝土必須設(shè)計(jì)成約束混凝土。混凝土受壓時(shí)在側(cè)向有膨脹趨勢(shì)，這時(shí)應(yīng)從側(cè)向給受壓的混凝土以約束，限制其橫向的膨脹變形，封閉箍筋、焊接網(wǎng)片、外包鋼管，或者在混凝土中摻加纖維都能起到約束作用，其中尤以封閉箍筋最為常用。但是過低的配箍率根本起不到約束作用，尤其是箍筋的約束并不能阻止箍筋外的混凝土保護(hù)層的剝落。
為了提高箍筋的約束效能，該主廠房柱子的箍筋采用較高強(qiáng)度的鋼種( HRB335)以及采用復(fù)合箍的型式，并適當(dāng)提高配箍率，同時(shí)柱子的縱向鋼筋采用高強(qiáng)度的主筋( HRB400)，這樣可以與高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)相匹配。
3.3軸壓比限值的選取
影響構(gòu)件延性的另一個(gè)主要因素是軸壓比，因而在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)軸壓比限值的選取是非常重要的。如果軸壓比限值定得較低，則構(gòu)件的破壞可以控制在大偏壓破壞范圍內(nèi)，試件的延性較好，相應(yīng)的約束箍筋的數(shù)量也較少，但是如果軸壓比限值定得太低，柱截面的尺寸就較大，不能充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的優(yōu)勢(shì)。高軸壓比情況下，在水平荷載施加之前，柱子已經(jīng)產(chǎn)生了較大的預(yù)壓應(yīng)變（預(yù)壓應(yīng)變降低截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力），使構(gòu)件的延性變差，因此柱子的軸壓比限值也不能定得過高。
JGJ3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與GB 50011-2001<建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008版）中抗震等級(jí)為二級(jí)的框架軸壓比限值均為0.8。考慮到工藝所提資的荷載較為粗糙，不能準(zhǔn)確反映主廠房在正常運(yùn)行后的實(shí)際工況；同時(shí)由于柱截面高度較大，在框架中多處形成短柱，因此在主廠房計(jì)算時(shí)適當(dāng)降低了柱構(gòu)件的軸壓比限值，該工程取0.7。這樣可以使構(gòu)件在抗壓、抗剪等方而留有充足的余地，保證主廠房結(jié)構(gòu)的安全。
3.4相關(guān)的規(guī)程規(guī)范
CECS104：99《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，“總則”中明確了除本規(guī)程己作規(guī)定者外，設(shè)計(jì)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)必須同時(shí)遵循GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的其他規(guī)定；設(shè)計(jì)地震區(qū)的高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)必須同時(shí)遵循GB 5001卜2001。本工程主廠房的除氧料倉(cāng)間高44.8 m。按JGJ3-2002的規(guī)定超過28 m也算是高層了，由于該規(guī)范主要是針對(duì)民用建筑，因此在主廠房設(shè)計(jì)中若從其他規(guī)范找不到相關(guān)條文的則參照該規(guī)程執(zhí)行。比如在確定風(fēng)荷載作用下樓層層間最大位移與層高之比的限值時(shí)，就可參照J(rèn)GJ3-2002。
3.5PKPM程序計(jì)算與單個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)之間關(guān)系的處理
結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的程序SATWE是按照高層設(shè)計(jì)規(guī)程和混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行編制的，并沒有把高強(qiáng)混凝土規(guī)程的要求也考慮進(jìn)去。要彌補(bǔ)采用高強(qiáng)混凝土后SATWE程序計(jì)算的不足，最好是利用SATWE程序計(jì)算提供的內(nèi)力，按照高強(qiáng)混凝土規(guī)程對(duì)構(gòu)件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，但這樣做的計(jì)算工作量太大，而且操作不方便。因此，在進(jìn)行主廠房的計(jì)算時(shí)，考慮了對(duì)SATWE程序計(jì)算中人工能干預(yù)輸入的一些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，
1)調(diào)整周期折減系數(shù)，主廠房結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)混凝土后，主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度增大，分配的水平剪力也增大。考慮到程序并不能完全準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度變化，因此，在對(duì)非承重墻體的剛度影響進(jìn)行周期折減的基礎(chǔ)上再對(duì)周期進(jìn)行二次調(diào)整。
2)豎向構(gòu)件的軸向變形主要由三部分組成：軸力作用下的彈性變形（短期內(nèi)完成）；自身的收縮變形(2-3 a)；長(zhǎng)期壓應(yīng)力作用下的徐變變形(2～3 a)。SATWE程序提供幾種計(jì)算方法：一次加載和模擬施工加載，而構(gòu)件的真正變形是介于兩者之間的。高強(qiáng)混凝土在軸力作用下的彈性變形較普通混凝土要小；自收縮變形初期大，后期小，結(jié)果與普通混凝土相差不大；徐變變形較普通混凝土要小得多，因此當(dāng)柱子采用高強(qiáng)混凝土后，軸向變形計(jì)算更接近于模擬施工加載形式，所以在SATWE程序中選取模擬施工加載3這種工況，可以同時(shí)考慮剛度的逐層形成及荷載的逐層累加，更符合施工過程的實(shí)際情況。
3.6不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)之間混凝土用量的比較
在主廠房中選取⑩軸所對(duì)應(yīng)的一榀框排架來進(jìn)行比較。
當(dāng)軸壓比相同時(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，一榀框排架的混凝土量明顯減小，cso的用量是C35的75%，而C60的用量則是C35的66%。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)超過cso后，框排架所用混凝土量減小的幅度減少。因此，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到一定程度后，想通過提高其強(qiáng)度等級(jí)來減小結(jié)構(gòu)的混凝土用量，作用不大。
4、結(jié)語(yǔ)和建議
1)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其脆性也越大，因此，要根據(jù)主廠房的實(shí)際情況合理選取混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，不宜盲目地選取高強(qiáng)度等級(jí)。
2)在主廠房中由于荷載分布不均，各層柱子的軸壓力差別較大，應(yīng)該充分考慮利用高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位、不同的軸壓比采用不同的強(qiáng)度等級(jí)。
3)混凝土受壓時(shí)在側(cè)向有膨脹的趨勢(shì)，為了提高箍筋的約束效能，柱子的箍筋應(yīng)采用較高強(qiáng)度的鋼種(HRB335)以及采用復(fù)合箍的型式，同時(shí)也應(yīng)適當(dāng)提高構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的最小配筋率、配箍率，以增加其延性。
4)軸壓比是影響構(gòu)件延性的一個(gè)主要因素，主廠房結(jié)構(gòu)及荷載復(fù)雜，與民用建筑差別較大，因此在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要合理選取柱子的軸壓比限值。
5)高強(qiáng)混凝土的抗拉、抗剪強(qiáng)度雖然隨抗壓強(qiáng)度的增加而增加，但它們與抗壓強(qiáng)度的比值卻隨強(qiáng)度提高而變得愈來愈小，這點(diǎn)與普通混凝土有著很大的差別。而現(xiàn)有計(jì)算程序大都按普通混凝土來設(shè)計(jì)，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范處理好程序計(jì)算與單個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。
6)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，主廠房的混凝土用量相應(yīng)地減小，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到一定程度后，想通過提高其強(qiáng)度等級(jí)來減小結(jié)構(gòu)的混凝土用量，作用不大。
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