窯尾余熱鍋爐混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

程 剛

中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100

窯尾余熱鍋爐混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

程 剛

中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100

窯尾余熱鍋爐一般落在混凝土框架之上，混凝土框架的標(biāo)高一般在14 m～18 m之間，以上為余熱鍋爐，為整體設(shè)備，設(shè)備頂標(biāo)高一般60 m上下。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支撐設(shè)備的混凝土框架，不同的設(shè)計(jì)者有不同的結(jié)果。通過建立鋼結(jié)構(gòu)虛層的方式，模擬設(shè)備的實(shí)際存在形式，采用程序計(jì)算設(shè)備由于地震、風(fēng)產(chǎn)生的柱底內(nèi)力，通過程序計(jì)算得到的地震剪力圖、風(fēng)荷載剪力圖基本與設(shè)備給定的地震荷載及風(fēng)荷載值一致，說明此種計(jì)算模型比較合理。

窯尾余熱鍋爐 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算模型 地震荷載代表值

0 引言

窯尾余熱鍋爐作為水泥廠余熱發(fā)電工程項(xiàng)目最重要的標(biāo)志性建筑物之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)工程的成敗與形象。目前關(guān)于此類建筑設(shè)計(jì)的文章不多，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者一般按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，建立混凝土空間計(jì)算模型，將設(shè)備廠家提供的設(shè)備荷載輸入混凝土空間模型進(jìn)行計(jì)算分析；也有的設(shè)計(jì)者通過建立混凝土+鋼的混合結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型，采用鋼結(jié)構(gòu)部分直接模擬設(shè)備的自重、體型及高度等信息直接進(jìn)行計(jì)算分析。不同的設(shè)計(jì)分析模型，所得出的計(jì)算結(jié)果具有巨大的差異，本文通過一個(gè)國外工程實(shí)例比較這兩種計(jì)算分析模型的不同，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況及特征

1.1 工程概況

工程位于巴基斯坦，當(dāng)?shù)貧庀髼l件：極端最高溫度50 ℃，極端最低溫度5 ℃，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震按照中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度ah= 0.1 g；基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度B。本文僅討論兩種不同的計(jì)算分析模型所得結(jié)果的不同及產(chǎn)生原因，工程地質(zhì)等其它條件不再贅述。

1.2 工程項(xiàng)目特征

1.2.1 結(jié)構(gòu)類型

混凝土框架結(jié)構(gòu) 2層，頂標(biāo)高16.500 m；上部為余熱鍋爐，由設(shè)備廠家直接提供；余熱鍋爐通過4個(gè)鋼柱腳立在鋼筋混凝土框架梁上連接成一個(gè)整體，設(shè)備頂標(biāo)高約58.600 m。

1.2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

現(xiàn)行中國國家的結(jié)構(gòu)規(guī)范；設(shè)計(jì)年限：50年。

1.2.3 設(shè)計(jì)荷載

樓面恒荷載：結(jié)構(gòu)自重3.75 kN /m2（混凝土樓板150厚）,樓面活荷載3.75 kN/m2，設(shè)備荷載由設(shè)備制造廠家提供，荷載通過4根鋼柱傳給混凝土框架的荷載數(shù)據(jù)見表1，設(shè)備廠家提供的荷載作用點(diǎn)定位見圖1。

2 兩種不同計(jì)算分析模型的比較

本工程雖為新建工程，但涉及到原有窯尾高溫風(fēng)機(jī)及周邊原有建、構(gòu)筑物的限制，框架柱及梁的布置不夠合理，從圖1可以發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土柱與設(shè)備鋼柱的重心并不重合；計(jì)算模型如果不夠合理，會(huì)引起計(jì)算結(jié)果的巨大差異。下面分別就兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

2.1 計(jì)算分析模型一

分析模型設(shè)置-0.200、7.500、16.500三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，4根鋼筋混凝土柱截面1 150×1 150伸至16.500標(biāo)高， -0.200、7.500平面設(shè)置框架空拉梁，拉梁截面900×1 200，16.500 m平面為鋼筋混凝土框架頂標(biāo)高，余熱鍋爐支座位于本層；設(shè)備的恒荷載、灰荷載分別按照框架梁的恒荷載、活荷載輸入，設(shè)備的地震荷載、風(fēng)荷載按照節(jié)點(diǎn)活荷載的形式在柱端按節(jié)點(diǎn)活荷載輸入。通過PKPM、SATWEI的程序計(jì)算分析獲得的柱底內(nèi)力組合值（見圖2）以及根據(jù)此內(nèi)力值計(jì)算出柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的數(shù)值（見圖3），可以看到配筋結(jié)果出奇的大，以至于在柱邊緣鋼筋都無法擺放。

表1 荷載通過4根鋼柱傳給混凝土框架的荷載數(shù)據(jù)

圖1 設(shè)備廠家提供的荷載作用點(diǎn)定位

圖2 計(jì)算分析模型一之柱底內(nèi)力組合值

圖3 計(jì)算分析模型一之柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的數(shù)值

2.2 計(jì)算分析模型二

分析模型除同樣設(shè)置-0.200、7.500、16.500三個(gè)鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)層外，另外設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算層四；鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)層平面布置同模型一，構(gòu)件截面適當(dāng)變小，柱截面改為1 000×1 000，拉梁截面改為500×1 000，16.500平面布置同模型一；利用鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層四的恒荷載、活荷載替代設(shè)備荷載；其中設(shè)備的恒荷載、灰荷載均勻分成8份，按照樓面的恒荷載、活荷載在鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層四中輸入，設(shè)備廠家給定地震荷載、風(fēng)荷載不用考慮，由計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)算；在計(jì)算模型組裝時(shí)，將鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層四按層高5 m連續(xù)8層疊加，設(shè)置了一個(gè)10 m ×4.5 m×40 m的設(shè)備模擬體，由模擬體的樓面荷載計(jì)算樓層地震內(nèi)力，根據(jù)模擬體的迎風(fēng)面寬度、高度等指標(biāo)自動(dòng)計(jì)算風(fēng)荷載。圖4是通過PKPM、SATWEI的程序計(jì)算分析獲得的柱底內(nèi)力組合值，根據(jù)此內(nèi)力值計(jì)算出柱底配筋量的數(shù)值（見圖5），可以看到配筋結(jié)果比較正常，柱及框架梁的內(nèi)力及配筋結(jié)果比較符合常識(shí)。

2.3 比較分析

上述兩種計(jì)算方式，以及其產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果，到底哪種計(jì)算方式正確呢？

圖4 計(jì)算分析模型二之柱底內(nèi)力組合值

首先分析第一種計(jì)算模型：荷載輸入時(shí)，設(shè)備傳來的恒荷載、灰荷載按照梁的荷載輸入沒有問題，而設(shè)備的地震荷載、風(fēng)荷載按照節(jié)點(diǎn)恒荷載或活荷載的形式在柱節(jié)點(diǎn)上輸入，這種方式值得商榷，要知道，程序在計(jì)算框架地震剪力時(shí)，采用公式：Ve=α×Ge（地震剪力=地震水平剪力系數(shù)×地震荷載代表值），地震產(chǎn)生的其它內(nèi)力通過地震剪力計(jì)算得到；在地震設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)自振周期等一致的條件下，決定框架地震內(nèi)力的大小就由地震荷載代表值決定了，地震荷載代表值Ge =1.0×G恒+0.5G活。這里將設(shè)備的恒荷載按照梁的恒荷載輸入沒有問題，但是將設(shè)備傳來的地震荷載、風(fēng)荷載按照節(jié)點(diǎn)恒荷載或活荷載的形式輸入，就會(huì)產(chǎn)生地震及風(fēng)荷載參與到地震荷載代表值的計(jì)算中，重復(fù)計(jì)算了地震剪力，且風(fēng)荷載也參與了計(jì)算，因此才會(huì)導(dǎo)致柱底內(nèi)力出奇的大，及配筋極其不合理的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為如果還是按照這種方式剪力計(jì)算模型計(jì)算時(shí)，建議強(qiáng)制程序不進(jìn)行地震及風(fēng)荷載內(nèi)力計(jì)算，這樣也會(huì)產(chǎn)生較小的誤差，不過此時(shí)地震內(nèi)力產(chǎn)生的柱底彎矩偏小，這是因?yàn)槿藶榈亟档土说卣鸷奢d的作用位置。

圖5 計(jì)算分析模型二之柱底配筋量的數(shù)值

計(jì)算方法二較好地模擬了設(shè)備實(shí)際存在的情況，符合實(shí)際的情況，通過建立鋼結(jié)構(gòu)虛層的方式，模擬設(shè)備的實(shí)際存在形式，采用程序計(jì)算設(shè)備由于地震、風(fēng)產(chǎn)生的柱底內(nèi)力，通過程序計(jì)算得到的地震剪力圖、風(fēng)荷載剪力圖基本與設(shè)備給定的地震荷載及風(fēng)荷載值一致，說明此種計(jì)算模型是比較合理的。圖6分別為地震、風(fēng)荷載產(chǎn)生的層間剪力值。

圖6 地震、風(fēng)荷載產(chǎn)生的層間剪力值

3 結(jié)束語

通過對(duì)同一實(shí)際工程設(shè)計(jì)模型的比較，方法二建立的計(jì)算分析模型，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析模型與實(shí)際工程實(shí)例一致性強(qiáng)，設(shè)計(jì)輸入簡便、合理、計(jì)算分析準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在實(shí)際工程中，這點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)燒成窯頭余熱鍋爐、收塵器等設(shè)備的支撐框架設(shè)計(jì)有一定的參考借鑒價(jià)值。

2015-05-20）

TQ 72.622.22:TU278

B

008-0473(20 5)04-0046-03

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 3