摘要：结合抗震设防烈度为7度的某燃煤发电工程单跨高位输煤转运站，对其各种方案进行结构计算和抗震性能分析比较，并对其技术经济指标进行对比。结果表明，对此类型建筑物，现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑是较为合适的结构方案。
关键词：单跨高位输煤转运站；现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑结构方案
1 引言
为节省投资、优化发电工程主厂房体积和造价，可将煤仓间末端输煤转运站脱离主厂房单独布置。
这种输煤转运站为独立建筑物，整体高度较高，纵向、横向均为单跨，下部架空，在高位布置皮带层及主要设备，设有两个皮带层，用水平输煤栈桥与煤仓间相连，从碎煤机室上主厂房的输煤栈桥在另一侧与转运站相连，两段输煤栈桥相互垂直，接口标高及位置各不相同，并且还需预留下期扩建条件、考虑其接口及相关荷载，主要工艺荷载较大且分布不均。
以下结合工程实例，对此类建筑物的结构选型进行研究和探讨。
2 工程主要参数
2.1 基本设计参数
国内某1000MW级燃煤发电工程，抗震设防烈度为7度，地表峰值加速度0.120g，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45s，水平地震影响系数最大值αmax=0.09，基本风压为0.50kN/m2，雪压为0.30 kN/m2。
2.2 主要结构尺寸
该建筑为高位输煤转运站，横向跨度14.50米、纵向跨度13.00米，下部结构空旷，从标高36.00米开始设置楼层板，共有36.00米层、42.00米、54.80米三层楼板，屋面板标高为62.80米，采用现浇钢筋混凝土结构。
2.3结构抗震设防标准
按照《电力设施抗震设计规范》GB50260-2013和《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008中的规定，1000MW级燃煤发电工程确定为重要电力设施，根据《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-2012的规定，其中的主厂房、输煤转运站等主要生产建筑物的抗震设计按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中的乙类建筑的要求执行。地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求，按7度计算；抗震措施应符合本地区抗震设防烈度的要求，应提高一度采取抗震措施，按8度采取抗震措施。
3.结构布置方案分析
3.1结构布置方案简述
按照工艺及建筑布置，该输煤转运站有如下结构方案可选择：
方案一：采用现浇钢筋混凝土框架结构方案。
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的6.1.1条和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的3.3.1条规定，按本地区抗震设防烈度7度确定现浇钢筋混凝土框架结构适用的最大高度为50米，而输煤转运站屋面板顶标高为62.80米，已超过了规范的规定。另外，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的6.1.2条规定，抗震设计的框架结构不应采用单跨框架。因此，该输煤转运站不能采用现浇钢筋混凝土框架结构。
方案二：采用现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案。
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的6.1.1条和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的3.3.1条规定，抗震设防烈度7度地区现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构房屋最大适用高度为120米。该输煤转运站横向和纵向均可采用现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案，抗震墙厚度0.40米，每段长度2.50米，每柱两方向均设，从基础底面到屋面。
方案三：采用现浇钢筋混凝土框架-钢支撑结构方案
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的附录G.1.1条规定，抗震设防烈度为6~8度，且房屋高度超过该规范第6.1.1条规定的钢筋混凝土框架结构最大适用高度时，可采用钢支撑-混凝土框架组成抗侧力体系的结构。其适用的最大高度不宜超过该规范第6.1.1条钢筋混凝土框架结构和框架-抗震墙结构二者最大适用高度的平均值。该输煤转运站可采用此结构布置方案，具体结构布置、计算和设计应符合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录G.1章规定。
3.2屈曲约束支撑（BRB）与普通钢支撑的比较
按照多道防线的概念设计，钢支撑是第一道防线，但普通钢支撑受压会产生屈曲现象，当钢支撑受压屈曲后，刚度和承载力会急剧降低。在地震或风的作用下，钢支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化；当钢支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时，钢支撑的内力以及刚度接近为零，因而普通钢支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通钢支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在钢支撑外部设置套管，约束钢支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑。屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因此，屈曲约束支撑的滞回性能优良。
屈曲约束支撑一方面可以避免普通钢支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内，可以全面提高传统的钢支撑框架在中震和大震下的抗震性能。因此，可将输煤转运站现浇钢筋混凝土框架-钢支撑结构方案替换为现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑结构方案。
4.各结构方案计算分析
4.1现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案
输煤转运站纵横向均为单跨，每框架柱纵向、横向均需设置抗震墙。根据工艺布置要求并考虑降低工程造价，将抗震墙厚度取为0.40米，每段长度取为2.50米，从基础底面设置到屋面。
4.2现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案
输煤转运站纵横向均为单跨，纵向、横向均需设置屈曲约束支撑（BRB），从±0.00米设置到屋面（主要结构布置参见图1）。另外，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录G.1.4条规定，混凝土框架部分承担的地震作用，应按框架结构和支撑框架结构两种模型计算，并宜取二者的较大值。
图1 输煤转运站现浇钢筋混凝土框架
-屈曲约束支撑（BRB）结构方案布置图
4.3 各结构方案计算分析结果
4.3.1主要结构构件尺寸
现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案主要结构构件截面尺寸（mm×mm）：框架柱1000×1000，框架梁400×1200、400×1400、450×1500；抗震墙宽度400mm，长度2500mm。
现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案主要结构构件截面尺寸（mm×mm）：框架柱1000×1000，框架梁400×1200、400×1400；屈曲约束支撑（BRB）200×200~300×300。
4.3.2各方案结构周期、结构位移、结构振型计算结果
经计算，现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案第一、第二、第三振型的结构周期分别为1.6570 s、1.6248 s、1.1051 s，现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案第一、第二、第三振型的结构周期分别为2.1714 s、1.7495s、1.3291s。现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案在X、Y向地震作用下层间位移角分别为1/1712、1/1593，现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案在X、Y向地震作用下层间位移角分别为1/1178、1/1314。从结构振型图可以看出，各方案第一振型都是平动振型。
4.3.3各方案计算结果分析
分析以上计算结果可以看出，输煤转运站各结构方案均能满足规程规范的相关要求，在技术上皆可行。其中现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案的梁柱截面相对更经济、结构抗震性能更好。
5.各结构方案技术及经济性能比较
5.1 各结构方案技术性能比较
现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构方案：采用本方案时，输煤转运站每柱纵向、横向均需设置抗震墙，从基础底面设置到屋面。这种结构布置导致抗震墙与输煤皮带碰撞，并使建筑楼梯布置困难，同时导致输煤转运站建筑造型受限，外立面形象不佳。从结构计算结果看，采用该方案结构自重大、结构刚度较大，地震时吸收地震能量较多、承受较大的地震力，不利于结构抗震。从施工角度看，抗震墙钢筋密集，施工复杂，施工周期长。
现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）结构方案：采用本方案时，输煤转运站纵向、横向均需设屈曲约束支撑（BRB），从±0.00米设置到屋面，并可根据工艺要求灵活布置。这种结构布置几乎不会影响工艺和建筑设计，结构构件轻巧美观，建筑立面效果较好。从结构计算结果看，采用该方案结构自重相对较轻，结构刚度适当，承受的地震作用相对较少。屈曲约束支撑在地震时可耗散地震能量、减少主体结构吸收的地震能量，使建筑物在地震时具有良好的消能减震能力。另外，屈曲约束支撑安装方便快捷、可与主体结构平行施工；地震后可方便地更换损坏的支撑，并不影响建筑物使用；施工难度低且施工工期短。
5.2各结构方案经济性能比较
单跨高位输煤转运站体积为11838 m3，现浇钢筋混凝土框架-抗震墙方案估算结构造价154.62万元，现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）方案估算结构造价127.46万元，两方案之间差价27.16万元。
6.结论
单跨高位输煤转运站由于结构体型细长，受侧向力影响较大；屈曲约束支撑（BRB）可提供较强的抗侧承载力，能够有效控制地震作用下的结构位移，使得结构刚度适当、整体延性较好；还可根据工艺和建筑要求灵活布置，最大限度满足建筑物的使用要求。与其它结构方案相比，工程造价低，安装方便，施工工期较短。
因此，对于单跨高位输煤转运站及类似建筑物，采用现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）是较为合适的结构方案。限于篇幅，屈曲约束支撑（BRB）的布置原则、计算及设计方法等将另文论述，这里不再赘述。
参考文献：
[1] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2] DL5022-2012，火力发电厂土建结构设计技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2012.
[3] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.
作者简介：
孙 巍（1972–），男，高级工程师，从事发电工程结构设计与研究。
论文作者:孙巍
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/5
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