火力发电厂厂房结构设计技术分析

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　　摘 要: 本文结合某燃煤电厂（2×600MW 机组）主厂房结构设计，阐述在海滨环境下火力发电厂主厂房土建结构设计中应注意的细节与设计要点，力求在设计中着重考虑不利环境对主厂房结构构件正常工作的影响
　　关键词: 火力发电厂结构设计现浇钢筋混凝土 基础设计 防腐
　　1 引言
　　火力发电厂的主厂房是一个专业密集型、技术难度大且最关键的项目，同时主厂房结构设计的合理与否直接影响到其后施工质量的水准，对创造良好的环境以保证机组长期运行有效有着决定性的意义。本文结合某燃煤电厂（2×600MW 机组）主厂房结构设计，阐述在海滨环境下火力发电厂主厂房土建结构设计中应注意的细节与设计要点，力求在设计中着重考虑不利环境对主厂房结构构件正常工作的影响。
　　2 主厂房结构型式
　　主厂房结构型式的选用应本着有利于降低工程造价、缩短建设周期、结构美观、符合环保且满足使用环境要求的原则，力求构配件标准化、通用化，便于工厂化生产；扩大干作业的范围，能尽早进入安装阶段；为土建、安装辟开通道，便于分段流水作业和连续施工；在部分机组投产后，能使施工与生产运行通过屏蔽实现隔离。这些是衡量现代大型火电厂高大厂房结构形式及体系合理、先进与否的重要标准。本工程主厂房主要采用了现浇钢筋混凝土结构框架及钢-钢筋混凝土组合结构楼面结构。
　　钢结构具有重量轻、强度高、抗震性能好、施工速度快、建筑物内部净空间大等优点，但作为滨海环境的主厂房结构构件，其主要缺点有：
　　（1）钢结构的防腐。钢材的腐蚀会使结构过早的破坏，防腐蚀是钢结构的一个重要问题, 尤其是处于滨海环境状态下的火力发电厂，该问题显得更为重要。
　　（2）钢结构的防火，即在钢结构表面加喷防火涂料或外包防火材料，国内大多数防火涂料尚处于起步阶段，虽然能满足防火设计要求，但造价很高，需定期维护。另外，外包防火材料又会增加结构自重而失去钢结构的意义。
　　近年来，随着定型钢模、滑模、钢筋自动对接焊接、混凝土工厂化生产、泵车运输浇灌混凝土等施工工艺的发展，现浇钢筋混凝土结构的使用将越来越广泛。同时，现浇钢筋混凝土结构的整体性和抗震性能好。因此，在现阶段，对于大型火力发电厂主厂房，现浇钢筋混凝土框结构体现出较强的优越性，但同时也存在着构件断面大，需要考虑较大砂、石料堆场，临时设施多，预埋件工作量大，工种多、消耗较多劳动力，施工工期长、文明施工难度大等缺点。
　　综合利用这两种结构的优点为大型建筑的发展开辟了一条新途径。钢-混凝土组合结构是一种集钢筋混凝土结构和钢结构两者的优点于一体的新型结构形式，充分发挥了混凝土刚度及钢结构抗震性能的潜力，可保结构整体安全可靠，同时混凝土结构提供了非常好的质量与刚度比以及内在动力阻尼特性，大大减小了风荷载引起的结构动力反应，对抗风设计相当有利，不仅满足了风荷载下的位移和强度要求，也满足了主厂房建筑高大空间要求。竖向荷载承重构件采用钢梁结构，则可大大减轻结构自重，并且能加快施工速度。采用钢-混凝土组合结构的楼面布置将更加灵活，可以应对复杂的工艺要求，同时大大减少预埋件的制作及安装工作量，节约该项的投资，有利于加快土建专业的总进度。
　　尽管全钢结构从技术上和施工工期上有一定的优势，即然使用耐用的结构构件可以使维护费用减至最小，但是作为滨海环境的主厂房结构构件，其今后的防腐维护和防火措施所需的费用仍然较大；从经济技术对比和以后电厂投运使用效果上分析，主厂房框排架采用现浇钢筋砼结构更具有优势，但楼面采用现浇钢筋混凝土结构，则存在次梁断面大，施工周期长等缺点；如采用钢-混凝土组合结构楼面，结构用钢量大幅度减小，而施工工期与全钢结构、装配式混凝土结构相当，且钢-混凝土组合结构用于楼面，受海水腐蚀的影响较小，同时预埋铁数量大大减少。故本工程主厂房选用现浇钢筋混凝土框架、钢次梁、钢-混凝土组合结构楼面板的结构形式。
　　3 基础设计
　　本工程厂区主要工程地质主要是地基土液化问题及采用桩基础处理方案时的桩端持力层强度不均匀问题。本工程厂区海相沉积的土层厚约1.8m~12.8m，场地平整拟采用吹吵填海方案，填砂平均厚度约为6.0m，因此场地松散土层总厚度达到7 .8m~20m 左右，由于填砂层及海相沉积土层强度低、压缩性高，均不宜作为天然地基持力层，而下伏强度较大的强风化~中等风化岩层埋深大，如采用天然地基，开挖深基坑壁均为松散土层，基坑壁边坡稳定性较差，加上深基坑开挖存在放坡与大量弃土问题，施工场地条件可能难以满足，特别是位于海水面以下的砂土层、软土层极易产生流砂、管涌，需要做大量的深基坑支护工作，因此，主厂房基础及主厂房范围内设备基础均不宜采用天然地基，需进行地基处理。
　　本工程位于的临海地区，条件较恶劣，其风荷载很大，主厂房框排架的坚向荷载和水平荷载都较大，需要以下伏埋深较大的中等风化或中等风化以下稳定的岩层做桩端持力层。钻孔灌注桩采用泥浆护壁技术，可解决钻孔过程中的流砂、管涌、塌孔等技术问题。厂区中等风化岩顶面平均-14.0m，场地平整至高程4.75m 后，其埋深18.75m。根据《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》第5.2.11条规定以下估算单桩极限承载力标准值：
　　Quk=Q sk ＋ Qrk ＋ Qpk式中:Quk 为单桩竖向极限承载力标准值(kN);
　　Qsk 为土的总极限侧阻力标准值(kN);
　　Qrk 为嵌岩段总极限侧阻力标准值(kN);
　　Qpk 为总极限端阻力标准值(kN);
　　当采用Φ 800mm 桩时，桩端入中等风化岩层2.5m，单桩坚向极限承载力标准值Quk约为6366kN;桩端入中等风化岩层3.6m 时，计算得Quk约为6575kN（桩长进入中等风化岩大于4.5倍桩径）。当采用Φ1000mm桩时,桩端进入中等风化岩层2.5 m，Q u k 约为8775kN;桩端进入中等风化岩层4.5m，计算得Quk约为9715kN。当采用Φ1200mm桩时,桩端进入中等风化岩层2.5 m , Q uk约为11647kN；桩端进入中等风化岩层5.4m时，计算得Quk约为13451kN。
　　由于场地土主要为松散砂土及软土，厚度7.8m~20.0m,其下伏风化岩层（强风化岩层）仍具有较高的强度可利用，因此可通过加强上部松散土层（包括填砂层），以振冲形成碎石桩，与桩周土共同承担荷载组成复合地基。由于地基砂土位于海面以下，状态松散，软土为淤泥质粘土，其不排水抗剪强度较小（Cu=13.38kPa），因此振冲桩对砂土层以挤密为主，对软土以置换为主，振冲法以干法振冲较为合适。采用振冲碎石桩法具有工程造价低、进度快的优点。厂区强风化岩面平均约为黄海高程-10.2m，场地平整至高程4.75m 后，估算平均桩长约15~16m。
　　由于振冲桩有效桩长一般为10~15m，桩径1.5m左右，桩间距约2.0m。振冲后形成的复合地基强度可达到200kPa以上，能满足结构较简单、荷载较小的次要附属设备基础较低的基底压应力的要求。
　　4 结构构件防腐设计
　　本工程主厂房区为沿海地带，地表水及地下水补给均主要为海水，其对混凝土及钢结构具有强腐蚀性。因此，结构构件的防腐措施尤为重要。
　　4.1 钢结构防腐
　　由于主厂房采用选用现浇钢筋混凝土框架、钢次梁、钢-混凝土组合结构楼面板的结构形式，钢结构所占比例较大，其防腐措施必不可少。钢结构防腐及涂装设计应综合考虑结构的重要性、环境侵蚀条件、维护条件及使用寿命，以及施工条件与工程造价等因素，合理选用。本工程选用的钢结构防腐方法是涂层法。涂层法施工的第一步是除锈，优质的涂层依赖于彻底的除锈。中等侵假蚀作用的承重构件要不采用喷吵喷丸除锈，露出金属的光泽，除去所有锈迹和油污，除锈等级Sa2。现场施工的涂层可用手工除锈。涂层的选择要考虑周围的环境。不同的涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性。涂层一般有底漆(层)和面漆(层)之分。底漆含粉料多，基料少。成膜粗糙，与钢材粘附力强，与面漆结合性好。面漆则基料多，成膜有光泽，能保护底漆不受大气腐蚀，并能抗风化。不同的涂料之间有相容与否的问题，前后选用不同涂料时要注意它们的相容性。涂层的施工要有适当的温度（5℃~38℃之间）和湿度（相对湿度不大于8 5 %）。干漆膜总厚度不宜小于120μm（弱侵蚀）及150μm（中等侵蚀）、2 0 0μm（较强侵蚀的重要构件）。需加重防腐的部位，可适当增加涂层厚度20~60μm。本工程用IPN8710-1互穿网络防腐底漆两道，IPN8710-2A 互穿网络防腐面漆三道，涂层厚度不得小于160μm 。
　　4.2 钢筋混凝土结构防腐
　　本工程主厂房采用现浇钢筋混凝土框架结构，基础形式是钢筋混凝土钻孔灌注嵌岩桩。由于场地地下水的主要来源是海水补给，地下水性质按海水考虑。海洋环境是氯离子的主要来源，海中是通常含有3% 的盐，其中主要是氯离子。就世界范围而言，氯离子腐蚀是影响混凝土耐久性的重要原因。处于此种环境中的混凝土构件需要具有适应这种环境的抗侵蚀性能，因此，在进行结构设计时，必须考虑对基础混凝土的防腐措施。混凝土防腐措施主要有：
　　（1）提高混凝土保护层厚度。试验表明，即使最低水灰比、高质量的混凝土，暴露于有氯盐存在的环境中，混凝土表面12mm 深度内的氯离子含量远远高于25~50mm 深度范围。
　　（2）应用钢筋阻锈剂。钢筋阻锈剂通过影响钢筋和电解质之间的电化学反应，可以有效地阻止钢筋腐蚀发生。
　　（3）混凝土表面涂层。混凝土表面涂层是可以降低氯离子渗透速率和碳化速率的有效辅助措施。混凝土涂层基本上可以分为侵入型和隔离型两种。
　　（4）环氧涂层钢筋。在钢筋表面制作环氧树脂保护膜，隔离钢筋与腐蚀介质的接触。若涂层质量控制良好，能够延缓钢筋腐蚀的开始，但锈蚀开始后锈蚀速率会加快。采用环氧涂层钢筋，在施工质量控制中一个难题是无法检测埋入混凝土后钢筋涂层的状况，价格较贵也是限制广泛使用的因素。
　　（5）阴极保护。这是降低钢筋腐蚀速率的有效辅助措施。一般在钢筋腐蚀开始后启用，以降低腐蚀扩展速率。
　　（6)采用高性能混凝土。通过掺加火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰，使氯离子在混凝土中的渗透速度降低，混凝土电阻率增加，从而延迟腐蚀的开始和降低腐蚀开始后的速率。
　　本工程基础混凝土的防腐措施：水泥采用普通硅酸盐水泥, 水泥中铝酸三钙含量不大于5%,并掺NF-Z 防腐阻锈剂,掺量为水泥量的3%,砼水灰比最大为0.5,最小水泥用量为360kg/m3,最大氯离子含量为0.1% (占水泥用量),最大碱含量为3kg/m3。且桩承台四周混凝土表面涂抹沥青防腐涂料。
　　6 结语
　　燃煤电厂（2 × 600MW 燃煤机组）主厂房结构设计,充分考虑了海滨环境下各种不利因素对火力发电厂主厂房土建结构设计的影响，因地制宜采取相应措施,大大提高了各种结构构件的耐久性,在设计阶段减少不利环境对结构构件正常工作的影响。

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