超超临界火电机组主厂房结构抗震性能优化研究

一、引言

超超临界火电机组因高效节能、低排放成为电力供应核心，截至2023 年底，装机容量超3.5 亿千瓦，占火电总容量 25% 以上。主厂房作为核心建筑，需承受大型设备荷载及自然灾害冲击。频繁的地震活动，如2021 年青海玛多地震，导致火电厂主厂房结构损伤和设备停运，影响电力供应。因此，研究超超临界火电机组主厂房的抗震性能优化，提升其抗震能力，对确保国家能源安全和社会稳定至关重要。

二、超超临界火电机组主厂房结构特点与抗震设计难点

2.1 结构特点

超超临界火电机组主厂房通常采用框架-排架混合体系，具有“ 高、大、重” 特征。厂房内布置有大型设备如汽轮机、发电机、锅炉等，设备运行产生振动，对结构动力性能要求高。厂房内还有楼梯、电梯井、管道竖井等附属结构，形成复杂空间受力体系。

2.2 抗震设计难点

荷载耦合复杂：主厂房需承受重力、风、设备振动及地震荷载。设备振动与地震荷载叠加，可能导致结构动力响应复杂。设备振动可能与地震波共振，加剧结构破坏。

设备-结构动力相互作用：大型发电设备与厂房结构紧密相连，设备振动特性影响结构动力响应。设备质量和刚度变化可使结构自振周期变化显著。结构变形反作用于设备，可能导致设备基础破坏、管道断裂等次生灾害。

关键部位抗震需求高：主厂房的梁柱节点、设备基础、吊车梁牛腿等部位是结构传力关键环节。地震作用下，这些部位易出现应力集中，约 60% 的结构破坏发生在梁柱节点区域。设备基础需满足承载设备重量和抵御地震作用的双重要求，设计难度大。

结构不规则性突出：工艺布置和设备安装需求导致主厂房平面凹凸不规则、竖向刚度突变。例如，为布置大型管道，需开设大尺寸洞口，导致结构平面刚度分布不均；不同功能区域层高差异大，形成竖向薄弱层，这些不规则性加剧地震作用下的结构破坏。

三、超超临界火电机组主厂房结构抗震性能优化策略

3.1 结构体系优化

合理选型与布置：根据主厂房的功能需求、地质条件和抗震设防要求，优化结构体系选型。对于高烈度地震区，可采用钢 - 混凝土组合结构，充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能。钢 - 混凝土组合结构具有强度高、延性好、抗震性能优越等优点，能够有效减轻结构自重，提高结构的抗震能力。在结构布置方面，应尽量使结构平面和竖向布置规则、对称，减少结构的不规则性。合理设置防震缝，将复杂结构划分为多个规则的结构单元，降低地震作用下结构的扭转效应和应力集中现象。同时，优化柱网布置，使结构受力更加均匀，提高结构的整体稳定性。

多道防线设计：采用多道防线的结构体系，增强结构的抗震能力。框架 - 剪力墙结构、框架 - 支撑结构等是常用的多道防线结构体系。在框架 - 剪力墙结构中，剪力墙作为第一道防线，在地震作用下首先承受大部分水平荷载，消耗地震能量；框架结构作为第二道防线，在剪力墙出现破坏后，继续承担荷载，保证结构不至于倒塌。通过合理设计各道防线的刚度和承载力，使结构在地震过程中能够依次发挥各道防线的作用，提高结构的延性和耗能能力，确保结构在不同地震烈度下的安全性 。

结构动力特性调整：通过调整结构的质量、刚度和阻尼分布，优化结构的动力特性，避免结构自振周期与地震动卓越周期相近而产生共振。在设计阶段，利用结构动力学分析方法，对结构的自振频率、振型等动力特性进行计算和分析。通过改变结构构件的尺寸、材料或布置方式，调整结构的质量和刚度分布，使结构的自振周期避开地震动的卓越周期。同时，合理设置阻尼器等耗能装置，增加结构的阻尼比，降低结构在地震作用下的振动响应。

3.2 材料性能提升

高性能材料应用：在主厂房结构中，优先选用高强度、高延性的建筑材料。对于钢结构构件，采用高强度钢材，如 Q460、Q690 等，可提高构件的承载能力和变形能力，减少构件截面尺寸，降低结构自重。在混凝土结构中，使用高性能混凝土，通过优化配合比，掺加矿物掺合料和高效减水剂等，提高混凝土的抗压强度、耐久性和抗裂性能。此外，还可考虑应用新型复合材料，如纤维增强复合材料（FRP），对结构进行加固和抗震性能提升。FRP 材料具有轻质高强、耐腐蚀、施工方便等优点，可用于对既有结构的补强加固，提高结构的抗震能力。

材料连接性能优化：加强结构构件之间的连接节点设计，提高连接部位的强度和延性。对于钢结构节点，采用焊接与螺栓连接相结合的方式，确保节点在地震作用下能够有效传递内力。合理设计节点构造，使节点的承载力不低于构件的承载力，避免节点先于构件破坏。对于混凝土结构节点，通过增加箍筋配置、采用高强钢筋等措施，增强节点的抗震性能。在节点核心区，适当加密箍筋，提高混凝土的约束程度，防止节点核心区混凝土开裂和破坏。同时，保证钢筋的锚固长度和连接质量，确保钢筋与混凝土之间的可靠粘结。

3.3 隔震减震技术应用

基础隔震技术：在主厂房基础与上部结构之间设置铅芯橡胶隔震支座。该支座竖向承载力可达 10000kN 以上，水平等效刚度可根据设计需求调整。通过隔震层的柔性变形，可将结构自振周期延长至 2 - 3 秒，远离地震动卓越周期，使上部结构地震作用降低 40%-60% 。

消能减震技术：在结构层间布置黏滞阻尼器，单个阻尼器的最大阻尼力可达 5000kN 。利用黏滞流体的阻尼特性，在地震作用下消耗能量。数值模拟显示，布置黏滞阻尼器后，结构

的等效阻尼比可从 0.05 提高至 0.15 - 0.20，层间位移角减小 30‰

3.4 关键部位抗震加强

梁柱节点加强：采用 “ 节点核心区加腋 + 环向围套” 的加固方式。在节点核心区设置45° 加腋，增大节点区的抗剪面积；外部包裹钢筋混凝土环向围套，提高节点的约束性能。试验表明，该方法可使节点的极限承载力提高 35% ，延性系数增加 25‰

设备基础抗震设计：设备基础采用隔震 - 减震复合设计方案。在基础底部设置橡胶隔震支座，减少地震能量传递；在基础与设备之间安装弹簧 - 阻尼隔振器，降低设备振动对结构的影响。同时，加强设备基础与主厂房结构的连接，采用锚栓群连接方式，锚栓抗拉强度不低于 8.8 级。

四、超超临界火电机组主厂房结构抗震性能优化案例分析

4.1 案例背景

某超超临界火电机组主厂房位于地震设防烈度 Ⅷ 度区，采用框架 - 排架混合结构体系，厂房建筑面积 5.2 万平方米，建筑高度 85 米。厂房内布置有 1000MW 超超临界燃煤发电机组，包括汽轮机、发电机、锅炉等大型设备。在初步设计阶段，通过抗震分析发现，该主厂房结构存在以下问题：结构平面布置不规则，存在局部开洞和凹凸不规则，导致结构扭转效应明显；部分梁柱节点承载力不足，在地震作用下可能出现破坏；设备基础与结构连接薄弱，无法有效抵御地震作用；结构自振周期与当地地震动卓越周期相近，存在共振风险。为提高主厂房的抗震性能，对其进行抗震性能优化设计。

4.2 优化设计过程

结构体系优化：对结构平面布置进行调整，通过增设抗震墙和调整柱网布置，使结构刚度分布更加均匀，减少结构的扭转效应。在结构薄弱部位增设剪力墙，形成框架 - 剪力墙结构体系，增强结构的抗侧移能力和耗能能力。同时，合理设置防震缝，将结构划分为多个规则的结构单元，降低地震作用下结构的复杂受力状态。

材料性能提升：梁柱构件采用高强度钢材和高性能混凝土。钢结构梁柱采用 Q460 钢材，提高构件的承载能力和变形能力；混凝土梁柱采用 C50 高性能混凝土，掺加粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料，改善混凝土的工作性能和耐久性。加强梁柱节点的连接设计，采用焊接与高强度螺栓连接相结合的方式，确保节点的可靠性。

隔震减震技术应用：在主厂房基础部位设置橡胶隔震支座，采用基础隔震技术。通过隔震层的设置，延长结构的自振周期，减少地震力向上部结构的传递。在结构层间布置黏滞阻尼器，应用消能减震技术，提高结构的耗能能力。根据结构的动力特性和地震作用分析，合理确定隔震支座和黏滞阻尼器的型号、数量和布置位置。

关键部位加强：对梁柱节点进行加腋处理，并增加节点区的箍筋配置。采用加腋节点构造形式，增大节点的有效受力面积，改善节点的应力分布；在节点核心区，将箍筋直径由 φ8 增大到 φ 10 ，间距由 150mm 加密到 100mm ，提高节点的抗剪能力和约束性能。对设备基础进行加固，采用高强度螺栓和锚固钢筋加强设备基础与主厂房结构的连接，并在设备基础与结构之间设置弹簧隔振器，减少设备振动对结构的影响。同时，对设备基础进行详细的动力分析和抗震验算，确保设备基础在地震作用下的稳定性。

4.3 抗震性能分析

运用有限元分析软件 ANSYS 和 Midas Gen，对优化前后的主厂房结构进行地震响应分析。采用时程分析法和反应谱分析法，考虑多遇地震、设防地震和罕遇地震三种地震水准，对结构的位移、内力、应力、加速度等指标进行计算和对比分析。

分析结果表明，主厂房结构优化后，最大层间位移角从1/450 降至1/800，满足规范，抗侧移能力增强；梁柱节点应力集中现象改善，混凝土和钢筋应力均低于设计强度，抗震性能提升；设备基础地震位移和加速度减小，连接部位受力合理，确保设备地震中正常运行；自振周期调整，避开地震卓越周期，降低共振风险。优化前后结构地震响应指标对比，证实了抗震性能优化方案的有效性和合理性。

五、结论与展望

本研究通过对超超临界火电机组主厂房结构抗震性能优化的系统研究，提出了涵盖结构体系、材料、隔震减震等方面的优化策略，并通过实际案例验证了其有效性。优化后的主厂房结构在地震作用下的抗震性能显著提升，为同类工程设计提供了重要参考。未来研究可进一步探索新型结构体系、智能隔震减震技术以及基于大数据的结构健康监测系统，持续提升超超临界火电机组主厂房结构的抗震性能和智能化水平。

参考文献

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作者简介：武文哲（1994-），男、汉族、籍贯：山东济宁、本科、助理工程师，研究方向：电厂土建。，山东省济宁市任城区济安桥南路25 号，