火力發(fā)電廠干灰?guī)鞙囟葢?yīng)力及裂縫計算方法

王學(xué)民

(中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概 述

鋼筋混凝土筒倉在我國許多行業(yè)有廣泛使用,如糧食、水泥、煤炭行業(yè),其貯料物種的特性與其它行業(yè)有所不同。貯灰?guī)煸诨鹆Πl(fā)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用。在電廠中,灰渣是在鍋爐排出后通過輸灰管道直接送到儲灰倉內(nèi),溫度可達100 ℃左右,而外部溫度隨季節(jié)和地區(qū)不同,差別較大。在北方地區(qū)的冬季,室外氣溫可達-30 ℃,灰?guī)靸?nèi)外溫差近130 ℃。即使在南方的夏季,灰?guī)靸?nèi)外的溫差也近50～60 ℃。溫度作用對混凝土的強度和彈性模量均有影響,引起混凝土變形增大,收縮和徐變加?。煌瑫r,鋼筋在受熱狀態(tài)下受力性能、粘結(jié)性能和變形性能也將發(fā)生變化。

較大的溫差會對灰?guī)旖Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力和溫度變形,而現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2003)》[1]中雖然考慮了溫差對筒倉結(jié)構(gòu)作用,但僅考慮了常溫貯料下外界氣溫變化溫差引起的溫度作用,不能解決電廠貯灰?guī)齑嬖诘臏囟葐栴}。對于溫度作用下的筒倉設(shè)計,雖然已作了一些研究[2-3],但是沒有一種針對電廠干灰?guī)毂容^適用的設(shè)計方法。

目前,電廠干灰?guī)煸O(shè)計中對溫度問題的考慮主要有以下幾種辦法：內(nèi)部設(shè)計隔熱內(nèi)襯、外部設(shè)計保溫層、通過溫度計算加大配筋,但對于筒壁溫度作用的考慮沒有提出明確的方法。

2 溫度作用下的材料性能

現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范(GB 50077—2003》中規(guī)定了溫度作用下的混凝土和鋼筋的力學(xué)性能,見表1～4。

表1 溫度作用下的混凝土強度折減系數(shù)

注：γa、γw、γ1分別為溫度作用下混凝土軸心抗壓、抗彎壓或彎拉及抗裂設(shè)計強度折減系數(shù)。

表2 溫度作用下的混凝土彈性模量折減系數(shù)

表3 溫度作用下的鋼筋強度折減系數(shù)

表4 溫度作用下的鋼筋彈性模量折減系數(shù)

3 溫度作用

筒壁任意點的受熱溫度計算,可按平壁法計算。假定熱流按穩(wěn)定條件下傳熱,材料假定為勻質(zhì)體,即隨時間變化,內(nèi)部氣體溫度及熱流大小是常數(shù),根據(jù)熱量平衡條件可以推導(dǎo)出溫度計算公式。氣體傳熱考慮的主要是對流傳熱,而灰?guī)靸?nèi)是高溫散料,散料與筒壁間的熱傳導(dǎo)包括對流、輻射和導(dǎo)熱,三種傳熱方式同時存在,所以,灰?guī)斓臏囟扔嬎惴绞讲荒芴子脙?nèi)部為氣體時的溫度計算方法,否則會產(chǎn)生較大誤差。

當(dāng)倉內(nèi)干灰料位較低時,干灰處于流化態(tài),此時可采用簡單的平壁法計算倉壁內(nèi)外溫差。

在滿倉時,干灰為非流化態(tài),可參考文獻[2]的做法,取靠近筒壁且其厚度等于筒壁厚的散料作為隔熱層,按平壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)原理,計算筒壁內(nèi)表面溫度。具體方法如下：

(1)

式(1)中：Tcj為計算點的受熱溫度(℃)；

Tn為庫內(nèi)散料最高溫度(℃)；

Tw為庫外空氣溫度(℃)；

Rz為內(nèi)襯、筒壁、隔熱層等總熱阻(m2·K/W)；

Ri為第i層熱阻(m2·K/W)。

4 溫度應(yīng)力計算

由彈性力學(xué)分析可知,兩端自由的無限長圓筒在溫度作用下的應(yīng)力為：

(2)

(3)

式(2，3)中：a為筒壁內(nèi)徑；

b為筒壁外徑。

彈性力學(xué)的分析假定內(nèi)外溫差沿筒壁呈線性變化,而且考慮的是同一種材料。對于鋼筋混凝土筒壁,學(xué)者所關(guān)心的是鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力差,所以,不能直接應(yīng)用彈性力學(xué)公式。

對于溫度作用下鋼筋混凝土筒壁鋼筋和混凝土的應(yīng)力計算,可采用如下假定[4]：

1)截面應(yīng)變符合平截面假定；

2)溫度單獨作用下壓區(qū)應(yīng)力圖形呈三角形；

3)受拉區(qū)混凝土不參與工作；

4)計算混凝土壓應(yīng)力時,不考慮界面開裂后鋼筋的應(yīng)變不均勻系數(shù)和混凝土應(yīng)變不均勻系數(shù)。在計算鋼筋的拉應(yīng)力時,考慮鋼筋的應(yīng)變不均勻系數(shù),但不考慮混凝土應(yīng)變不均勻系數(shù)；

5)筒壁能自由伸縮但不能自由轉(zhuǎn)動，因此溫度應(yīng)力只需計算由筒壁內(nèi)外表面溫差引起的彎曲約束下的應(yīng)力值；

6)計算方法為分別計算溫度作用和荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的應(yīng)力值后進行疊加，在疊加時要考慮荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力的降低。

由此,可得出筒壁溫度應(yīng)力計算公式：

(4)

(5)

(6)

(7)

εt為筒壁內(nèi)表面與外側(cè)鋼筋的相對自由變形值；

εt=1.25(αcTc-αsTs)；

αc、αs為混凝土、鋼筋的線膨脹系數(shù)；

Tc、Ts為筒壁內(nèi)表面受熱溫度和外側(cè)鋼筋受熱溫度；

fttk為混凝土在溫度作用下的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 裂縫計算

現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范(GB 50077—2003)》規(guī)定,裂縫按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)計算,其中的最大裂縫寬度計算公式為：

(8)

式(8)中各符號的意義參考混凝土規(guī)范。

該公式未考慮溫度作用。在溫度作用下,灰?guī)旎炷量估瓘姸冉档?鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能退化,容易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)筒壁內(nèi)熱外冷時,內(nèi)壁面呈壓應(yīng)力,外壁面的縱向及環(huán)向均呈拉應(yīng)力。當(dāng)最大應(yīng)力超過抗拉強度時,外表面將出現(xiàn)裂縫。一般縱向裂縫常見,而環(huán)向裂縫少見。

要考慮溫度作用,最簡單的辦法就是對該公式進行修正。考慮灰?guī)斓墓ぷ魈匦?作以下兩點修正：

1)對公式中的受拉鋼筋應(yīng)力,代之以溫度與荷載共同作用下的受拉鋼筋應(yīng)力；

2)考慮在長期高溫作用下,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度有所降低且滑移增大的影響,應(yīng)增加一個大于1的工作條件系數(shù)k。

考慮溫度作用的最大裂縫寬度計算公式：

(9)

(10)

(11)

式(9～11)中：

σskt為荷載標(biāo)準(zhǔn)值和溫度共同作用下裂縫處鋼筋應(yīng)力；

αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；

k為工作條件系數(shù)；

ni為第i種鋼筋根數(shù)；

ρte為以有效受拉混凝土面積計算的受拉鋼筋配筋率；

di、deq為第i種受拉鋼筋及等效鋼筋直徑(mm)；

c為混凝土保護層厚度(mm)；

νi為受拉鋼筋的相對粘結(jié)特性系數(shù)。

6 算例分析

某電廠干灰?guī)?內(nèi)徑15 m,儲灰溫度80 ℃, 儲灰高度19 m,儲灰密度14 kN/m3,冬季室外最低氣溫-5.8 ℃。筒壁配筋均以HRB335級鋼筋直徑25 mm間距150 mm考慮,筒壁厚度考慮400 mm和300 mm兩種情況,同時考慮設(shè)與不設(shè)120 mm厚耐火磚。導(dǎo)熱系數(shù)取值見表5，混凝土筒壁為1.74+0.000 5T；耐火磚內(nèi)襯為1.1+0.000 5T；干灰為1.2。計算時工作條件系數(shù)取1.0。

采用本文的方法,計算出各種情況下的結(jié)果如表5～6所示。

表5 儲灰料位較低,流化態(tài)時的計算結(jié)果

表6 儲灰滿倉時的計算結(jié)果

由計算結(jié)果可見,溫度對干灰?guī)斓挠绊懖蝗莺鲆暋?/p>

7 結(jié) 語

通過本文的分析可以得出如下幾條結(jié)論：

1)溫度作用對電廠干灰?guī)斓挠绊懖蝗莺鲆暎?/p>

2)彈性力學(xué)的溫度應(yīng)力計算公式不能直接用于灰?guī)旆治?可以采用煙囪規(guī)范的方法,但是相對比較繁瑣；

3)可以將文中裂縫計算公式用于灰?guī)旆治?但是其工作條件系數(shù)有待于進一步研究。