新加坡某9.9 MW生物質(zhì)發(fā)電鍋爐支撐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

□□ ，

(1.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.北京德普新源科技發(fā)展有限公司，北京 100027)

引言

新加坡某發(fā)電廠是綜合利用當(dāng)?shù)刎S富的建筑、裝修、包裝、園林修剪產(chǎn)生的木質(zhì)類生物質(zhì)廢棄物作為燃料，采用燃用生物質(zhì)燃料的45 t/h振動爐排次高溫次高壓鍋爐，配9.9 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。主要環(huán)境條件為：50年一遇，10 m高、10 min平均最大風(fēng)速：18 m/s；最大日降雨量：513 mm；地震烈度：4度；場地類別：Ⅲ類。

該項(xiàng)目鍋爐支撐鋼結(jié)構(gòu)采用框架支撐結(jié)構(gòu)體系，在X向，Y向設(shè)置垂直支撐，并在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置水平支撐體系。結(jié)構(gòu)高度23 m，建筑高度26 m(屋頂高度)，長×寬=32 m×13.5 m，結(jié)構(gòu)效果圖見圖1。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按美國ANSI/AISC 360-05，An American National Standard，Specification for Structural Steel Buildings[1](以下簡稱AISC-360-05)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并使用滿足新加坡建設(shè)局(Building & Construction Authority，以下簡稱BCA)的標(biāo)準(zhǔn)BCA ACADEMY(BC 1：2008)中允許的中國國內(nèi)標(biāo)號型材。

1 結(jié)構(gòu)方案選擇

根據(jù)工藝、設(shè)備的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，在結(jié)構(gòu)方案階段，向業(yè)主提供了兩種可選方案，一種是雙向剛接的純框架結(jié)構(gòu)體系，另一種是在X向，Y向設(shè)置垂直支撐的框架支撐結(jié)構(gòu)體系。

對兩種方案的比較如下：

圖1 結(jié)構(gòu)效果圖

(1)在水平力作用下，兩種方案在柱頂及層間位移的控制方面均滿足AISC-360-05附錄L章L4.DRIFT中H(h)/200-H(h)/600的要求，但第二種方案明顯優(yōu)于第一種方案。

(2)結(jié)構(gòu)體量不大，第一種方案由于未采用垂直支撐，其用鋼量明顯優(yōu)于第二種方案。

(3)在水平力作用下，第一種方案中有約1/3(8根)的柱腳產(chǎn)生>700 kN的上拔力，第二種方案通過布置垂直支撐，僅3根柱就產(chǎn)生了>700 kN的上拔力。因建設(shè)場地狹小等因素制約，上拔力只能通過增加基礎(chǔ)埋深的方法解決。

依據(jù)BCA的要求，在新加坡當(dāng)?shù)厥┕ぃ?dāng)基坑深度>1.5 m時需到BCA報備及審批，且安裝實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)場施工的便捷及成本控制，業(yè)主及新加坡土木設(shè)計(jì)單位要求采用第二種方案，即該鍋爐支撐鋼結(jié)構(gòu)采用框架支撐結(jié)構(gòu)體系。

2 結(jié)構(gòu)分析

在AISC-360-05中包括兩種設(shè)計(jì)方法：許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(Allowable Stress Design，ASD)與荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(Load and Resistance Factor Design Specification，LRFD)，其分別對應(yīng)不同的荷載組合(見表1)，詳細(xì)荷載組合及規(guī)定可參考《2006國際建筑規(guī)范》(2006 International Building Code[2])中1605章節(jié)的內(nèi)容。

表1 ASD法與LRFD法對應(yīng)不同的荷載組合對比[1-2]

在該鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過STAAD.PRO建模進(jìn)行分析和計(jì)算。因業(yè)主未確定按何種規(guī)范方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，故分別按許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)和荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，并對校核結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖2和圖3所示。

圖2 許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)校核結(jié)果

圖3 荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)校核結(jié)果

采用ASD方法設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力比值(Actual Ratio)>0.85的構(gòu)件有24根，如圖4所示。

采用LRFD方法設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力比值(Actual Ratio)>0.85的構(gòu)件為0根(計(jì)算結(jié)果截圖從略)。

由圖4可知，采用許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)的校核結(jié)果，實(shí)際應(yīng)力(Actual Ratio)>1的為編號556、567、1110、1113、1068共5根構(gòu)件。

圖4 ASD法下失效構(gòu)件列表

選取梁、柱、支撐各兩根，分別比較在ASD和LRFD設(shè)計(jì)方法下的應(yīng)力比，結(jié)果見表2。

表2 在ASD和LRFD設(shè)計(jì)方法下的應(yīng)力比

通過對表2中6組數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)所得構(gòu)件與許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)所得構(gòu)件的比值大致在0.8左右。

依據(jù)兩種設(shè)計(jì)方法的校核結(jié)果可知：在允許應(yīng)力比值(Allowable Ratio)控制在0.85的條件下，荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)全部構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求，許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)有24根構(gòu)件不滿足設(shè)計(jì)要求。在允許應(yīng)力比值(Allowable Ratio)控制在1.0的條件下，荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)全部構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求，許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)僅有5根構(gòu)件不滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

在適當(dāng)?shù)陌踩珒錀l件下(控制適當(dāng)?shù)脑S可應(yīng)力比值)，許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)和荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)這兩種設(shè)計(jì)方法均可滿足設(shè)計(jì)要求，只是許可應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)的設(shè)計(jì)結(jié)果較荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)的設(shè)計(jì)結(jié)果偏保守；通過數(shù)量有限的構(gòu)件進(jìn)行比較，兩者校核結(jié)果的應(yīng)力比值相差大致在20%左右。采用應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)所得結(jié)果完全滿足荷載抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD)的要求。

本文是在所有構(gòu)件滿足長細(xì)比條件下，對應(yīng)力比值問題進(jìn)行討論。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，柱、支撐等受壓構(gòu)件在很多情況下由構(gòu)件長細(xì)比控制，限于篇幅，本文未涉及長細(xì)比方面的內(nèi)容。此外，本文僅是對兩種設(shè)計(jì)方法校核結(jié)果在STAAD.PRO計(jì)算結(jié)果下的簡單比較，對于AISC-360-05中兩種設(shè)計(jì)方法原理的不同未作出說明。

參考文獻(xiàn)：

[1] ANSI/AISC 360-05，AnAmericanNationalStandard，SpecificationforStructuralSteelBuildings[S].

[2] 2006InternationalBuildingCode[S].USA：International Code Council INC.，2006.