火電廠綜合管架的分析與設(shè)計

王 孟 秋

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

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火電廠綜合管架的分析與設(shè)計

王 孟 秋

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

結(jié)合某火電廠工程的實際情況，選取了火電廠綜合管架的結(jié)構(gòu)形式，通過建立結(jié)構(gòu)模型，對該管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析計算，并提出了火電廠地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計方法，以供類似工程參考。

火電廠，管架，結(jié)構(gòu)分析，地基處理

1 工程概況

離石大土河2×35萬kW低熱值煤熱電聯(lián)產(chǎn)工程建設(shè)規(guī)模為2×350 MW超臨界直接空冷供熱機組。本工程廠址位于離石區(qū)城區(qū)東北約13 km的回龍塔村北側(cè)，山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)信義工業(yè)園區(qū)內(nèi)。本工程地震設(shè)防烈度為6度；地震動峰值加速度為0.05g；場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組，特征周期0.45 s；基本風(fēng)壓0.45 kN/m2(50年一遇),地面粗糙度類別為B類。廠址區(qū)土壤最大凍結(jié)深度104 cm。綜合管架區(qū)域地下水深度8 m以上,且部分區(qū)域為Ⅱ級自重濕陷性黃土場地、部分區(qū)域為非濕陷性場地。

2 結(jié)構(gòu)選型

綜合管架上布置有輸灰管道、蒸汽管道、燃油管道和電纜橋架等。圖1為一個典型的管架上管道布置剖面圖。根據(jù)各專業(yè)所提供的資料得知：輸灰管道支點跨度為6 m、蒸汽管道的支點跨度也為6 m、燃油管道支點跨度為3 m、電纜橋架支點跨度不大于2 m。由于以上管道和電纜的豎向(水平)荷載都不是很大，管架結(jié)構(gòu)形式采用大跨度管桁架結(jié)構(gòu)。鋼柱和桁架的上、下弦桿采用鋼管，在管道的支點處設(shè)橫向H型小鋼梁。兩腿鋼柱之間設(shè)鋼管斜撐抵抗橫向水平力，在管道的固定點處設(shè)四腿的格構(gòu)柱抵抗縱向水平力。

3 結(jié)構(gòu)分析計算

3.1 設(shè)計條件概述

該廠區(qū)位于山區(qū)，場地標(biāo)高起伏比較大，廠區(qū)南側(cè)和北側(cè)之間有一個5 m多高的護坡，南側(cè)低，北側(cè)高。護坡北側(cè)綜合管架頂距地9 m多，由于綜合管架上主要管道是輸灰的8根管，管道從北側(cè)過來連接護坡南側(cè)的灰?guī)?，根?jù)除灰工藝要求，在護坡處管道不能向下走，只能水平走，因此護坡南側(cè)綜合管架頂距地達(dá)14 m多。在護坡上部第一個管架處根據(jù)規(guī)范[1]要求設(shè)了一個伸縮縫將管架結(jié)構(gòu)斷開。本文僅對從灰?guī)熘磷o坡頂處這段高管架進(jìn)行計算分析。

3.2 結(jié)構(gòu)建模

采用有限元計算分析軟件MIDAS進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計算，用世紀(jì)旗云結(jié)構(gòu)設(shè)計工具箱軟件來計算管架的聯(lián)合基礎(chǔ)。依據(jù)工藝資料用MIDAS建立模型。均采用Q235鋼材，柱、桁架上/下弦桿件和斜撐等采用鋼管；支撐管道的橫梁采用小H型鋼。柱、桁架上/下弦、支撐管道的橫向H型鋼采用“梁單元”；柱間支撐、桁架上/下弦平面外支撐，桁架腹桿采用“桁架單元”。桁架上/下弦桿件的兩端與柱連接處釋放梁端彎矩約束。在每個柱子的底部均添加固定支座。建模得到的整個結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

3.3 添加荷載

定義三種靜力荷載工況：恒載工況、活載工況和風(fēng)載工況。首先將結(jié)構(gòu)的自重定義為向下的恒荷載；其次將管架上的管道和電纜等的豎向荷載也定義為向下的恒荷載，將它們添加到小H型鋼的梁單元上。將管道的軸向推力定義為水平的活荷載添加到小H型鋼的梁單元上。由于管架比較長，管道的水平力可能方向相反相互抵消一部分，但計算中保守的確定管道的水平力均朝一個方向，并且沒有考慮管道之間的牽制系數(shù)，以此來計算柱、梁和支撐等構(gòu)件，這樣的假設(shè)提高了結(jié)構(gòu)的安全度。定義橫向風(fēng)荷載添加到桁架上弦的梁單元上。根據(jù)本工程的設(shè)防烈度、場地類別、地震分組等參數(shù)定義地震反應(yīng)譜函數(shù)，據(jù)此再定義縱向和橫向的兩個方向的地震荷載工況。只將恒荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，比例系數(shù)取1.0。

3.4 結(jié)構(gòu)的計算和分析

結(jié)構(gòu)在各荷載工況下進(jìn)行計算，阻尼比取0.02，然后根據(jù)規(guī)范[2]進(jìn)行荷載組合。隨后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算，根據(jù)各個構(gòu)件的應(yīng)力比調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，使各構(gòu)件既滿足結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性、長細(xì)比等要求，又不太浪費。調(diào)整后最終確定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面如表1所示。

表1 管架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

對于結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形，規(guī)范[1]規(guī)定主要有兩個限值：1)管道支架(桁架)的允許撓度值不應(yīng)大于l0/500。2)鋼結(jié)構(gòu)管道支架柱在風(fēng)荷載作用下沿橫向產(chǎn)生的柱頂點位移與總高度之比不宜大于1/250。

由于主要是由恒荷載引起桁架的豎向彎曲變形，所以只提取結(jié)構(gòu)在恒荷載工況下的豎向變形值。分析得到各跨跨中最大的撓度為1/1 146，遠(yuǎn)低于規(guī)范限值。提取結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載工況作用下的橫向柱頂位移值，得到柱頂點位移與總高度之比的最大值為1/4 850，也遠(yuǎn)低于規(guī)范限值。以上分析說明本管架結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的變形要求。

3.5 地基處理和基礎(chǔ)的設(shè)計

根據(jù)巖土工程勘測報告，場地內(nèi)原狀土①-2層素填土、②-1層黃土(粉土)為Ⅱ級自重濕陷性黃土。此段管架處于原狀土挖方區(qū)(挖土約7 m厚)，挖土場平后還有濕陷性黃土層約5 m厚?；A(chǔ)埋深2 m，地基處理采用基礎(chǔ)下?lián)Q填1 m厚3∶7灰土，灰土寬出基礎(chǔ)邊1 m(如基礎(chǔ)底面1 m以下還有雜填土應(yīng)全部挖出，用3∶7灰土分層夯實回填至基礎(chǔ)底標(biāo)高)。換填處理后地基承載力不小于150 kPa。

鋼柱同基礎(chǔ)混凝土短柱的連接做法采用插入式杯口基礎(chǔ)。基礎(chǔ)采用兩柱(或四柱)的聯(lián)合基礎(chǔ)，用世紀(jì)旗云結(jié)構(gòu)設(shè)計工具箱軟件來計算管架的聯(lián)合基礎(chǔ)。根據(jù)管架柱腳的位置在世紀(jì)旗云中輸入基礎(chǔ)短柱位置和基礎(chǔ)尺寸等條件。分別提取MIDAS模型中在恒荷載、活荷載、橫向風(fēng)荷載、縱向地震荷載、橫向地震荷載等單獨荷載工況下的各柱的柱底反力，將上述各單獨工況下的柱底反力作為多工況下的荷載標(biāo)準(zhǔn)值輸入到世紀(jì)旗云中，然后利用世紀(jì)旗云軟件進(jìn)行在各荷載工況下的計算，并且根據(jù)規(guī)范[2]進(jìn)行荷載組合。利用上述計算組合結(jié)果進(jìn)行基礎(chǔ)截面承載力計算校核和地基承載力校核，使地基基礎(chǔ)滿足設(shè)計要求。

[1] DL 5022—2012，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Analysis and design of the comprehensive pipe frame of heat-engine plant

Wang Mengqiu

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with actual heat-engine plant engineering conditions,the paper selects comprehensive pipe frame structure form of the heat-engine plant.Through establishing structural model,it carries out stress analysis calculation for the pipe frame structure,and puts forward foundation processing and foundation design methods of the heat-engine plant,with a view to provide some guidance for similar engineering.

heat-engine plant,pipe frame,structural analysis,foundation treatment

1009-6825(2016)29-0044-02

2016-08-04

王孟秋(1976- )，男，工程師

TU318

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