華潤(rùn)電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

于洋

【摘 ?要】超超臨界電站鍋爐作為懸吊式鍋爐，具有荷載體量大、設(shè)備荷載多、管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，其構(gòu)架設(shè)計(jì)也由于荷載數(shù)量與位置不規(guī)律，無(wú)法批量化采用相同截面構(gòu)件，需要針對(duì)每根構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文通過(guò)介紹華潤(rùn)電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，列舉了分離式柱腳、靴梁式柱腳、立柱、垂直支撐、梁等結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)于大板梁這種疊合梁，分別對(duì)其截面系數(shù)、主焊縫計(jì)算、支座加勁肋計(jì)算、局部穩(wěn)定計(jì)算方面進(jìn)行了計(jì)算分析，希望能對(duì)重型工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】超超臨界電站鍋爐;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);鍋爐鋼結(jié)構(gòu);分離式柱腳;靴梁式柱腳

1、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)工程概況

華潤(rùn)電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐構(gòu)架分為鍋爐和脫硝兩部分，鍋爐與脫硝鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)合整體布置。鍋爐構(gòu)架及脫硝構(gòu)架為全鋼架結(jié)構(gòu)，承載體系為框架與支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件連接形式采用鉸接，主要承載桿件之間采用扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接，鍋爐構(gòu)架寬度為48m（B0-B48），深57.4m（H-N），高95.4m，立面布置5片桁架即H、L、N、B0、B44.6;結(jié)構(gòu)高度方向共分10層，分別為6.9m、15.5m、24.2m、33.2m、44m、57.4m、67.1m、80m、85.5m、95.4m。通過(guò)水平支撐和立面框架（抗剪平面）來(lái)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及將風(fēng)荷載、地震荷載等水平載荷傳遞到基礎(chǔ)，零米處共布置49根柱，分9段。建筑面積3300m，本工程按抗震設(shè)防烈度6度（0.0887g），Ⅱ類場(chǎng)地。

2、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1基礎(chǔ)負(fù)荷計(jì)算

2.1.1地震荷載計(jì)算

基本數(shù)據(jù)：地震烈度：6度（0.0887g）Ⅱ類場(chǎng)地土。

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5001-2010）的規(guī)定，采用底部剪力法;

結(jié)構(gòu)高95.4m，桁架結(jié)構(gòu)C取0.488，結(jié)構(gòu)自振周期

阻尼比取0.02，衰減指數(shù)

阻尼調(diào)整系數(shù)

特征周期按照取0.35，自振周期處于1倍特征周期與小于5倍特征周期之間，地震影響系數(shù)最大值取0.07

水平地震系數(shù)

結(jié)構(gòu)總水平地震作用

結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為水平地震系數(shù)與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值乘積。

各層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

其中

頂部附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

2.1.2風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)技術(shù)協(xié)議，取最大風(fēng)速V=31m/s，場(chǎng)地土取B類場(chǎng)地土

2.1.3 設(shè)備荷載匯總

根據(jù)性能、煙風(fēng)道、受熱面、預(yù)熱器、輔機(jī)等部門提供設(shè)備荷載資料，將設(shè)備荷載分配至對(duì)應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上，將管道荷載按照支吊形式分配至管道上方或下方平面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

2.1.4 基礎(chǔ)負(fù)荷計(jì)算

采用staad有限元軟件建模分析，計(jì)算每個(gè)柱腳各工況所受軸向壓力、水平力與上拔力數(shù)值，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）組合，得出基礎(chǔ)負(fù)荷圖。

2.2柱腳設(shè)計(jì)

2.2.1 分離式柱腳

以L-B24為例，L-B24柱腳所受軸向壓力為4810kN，立柱尺寸為H400×450×10×20。根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT22395-2008）10.3.19規(guī)定，柱底板底部均布?jí)毫?yīng)小于基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，基礎(chǔ)采用C30混凝土，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3N/mm，經(jīng)計(jì)算混凝土面積應(yīng)大于336363.6mm，選用700mm×700mm尺寸柱底板。

柱底板厚度應(yīng)按照下式計(jì)算：

厚度值向上取整，取60mm。

2.2.2 靴梁式柱腳

以H-B0柱腳為例，H-B0柱腳軸向壓力為22630kN，立柱尺寸為H540×740×20×90，以分離式柱腳計(jì)算，柱底板厚度應(yīng)不低于169mm，施工生產(chǎn)難度較大，應(yīng)選用靴梁式柱腳。根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT22395-2008）10.3.15規(guī)定，柱底板底部均布?jí)毫?yīng)小于基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，基礎(chǔ)采用C30混凝土，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 N/mm，經(jīng)計(jì)算混凝土面積應(yīng)大于1582517.5mm，選用1500mm×1500mm尺寸柱底板。底板厚度應(yīng)按照下下式計(jì)算：

式中M應(yīng)取自由區(qū)域、三邊支承區(qū)域、四邊支承區(qū)域中彎矩最大值，即：

向上取整，柱底板厚度取90mm。

2.2.3 抗拔柱腳

以H-B24柱腳為例，H-B24柱腳上拔力為1460kN，選用Q345-B承壓型高強(qiáng)度螺栓，螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為180?N/mm，螺栓總面積應(yīng)大于上拔力與螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值81.1cm，布置4個(gè)抗拔螺栓，每個(gè)螺栓截面積應(yīng)大于20.3 cm。選擇M64螺栓。

每個(gè)螺栓受36.5t 拉力，利用連續(xù)梁程序進(jìn)行計(jì)算，兩端彎矩為211.7 t/cm，跨中最大彎矩為105.4 t/cm。兩端支承端板截面模量應(yīng)大于兩端彎矩與兩端支承端板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值86.7 cm，跨中支承端板截面模量應(yīng)大于跨中彎矩與跨中支承端板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值42.2 cm，支承端板厚度選取70?mm，材質(zhì)Q345-B。

肋板最大支座反力為63.5t，彎矩為825.5 t/cm，選用厚50 mm，高500?mm肋板試算可滿足要求。

2.3.立柱設(shè)計(jì)

H-B0立柱尺寸為H540×740×20×90，軸向壓力為22630kN，立柱長(zhǎng)7.45m，柱頂與柱腳均為鉸接，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2017）8.1.1，軸心受力的構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，查表得：φ取0.957，其穩(wěn)定性應(yīng)滿足：

2.4.橫梁設(shè)計(jì)

橫梁1HA1長(zhǎng)8.6m，為單向受彎桿件，在距左端點(diǎn)1.1m處受87kN集中力，距左端點(diǎn)1.55m處受40kN集中力，距左端點(diǎn)2m處受74kN集中力，距左端點(diǎn)2.75m處受40kN集中力，距左端點(diǎn)3.95m處受50kN集中力，距左端點(diǎn)4.5m處受84kN集中力。選用Q345鋼材，選用I700×350×10×16截面。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2017）7.1.1-7.1.4，正應(yīng)力、剪應(yīng)力、局部壓應(yīng)力、組合應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

梁長(zhǎng)5.486m，回轉(zhuǎn)半徑為70mm，長(zhǎng)細(xì)比為梁長(zhǎng)與回轉(zhuǎn)半徑比值，計(jì)算得78.4

最大彈性撓度為11.33mm 小于跨徑1/500，滿足規(guī)范要求。

2.5.大板梁設(shè)計(jì)

由于大板梁高度超過(guò)3.8m，根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT22395-2008）9.2.35規(guī)定采用疊合梁形式，由梁高3500mm，上翼緣寬950mm厚70mm，下翼緣寬460mm厚26mm，腹板厚40mm工字型鋼梁與梁高1800mm，上翼緣寬510mm厚26mm，下翼緣寬950mm厚70mm，腹板厚40mm工字型鋼梁疊合而成，長(zhǎng)度方向采用4段梁拼接而成。

2.5.1 大板梁截面系數(shù)

大板梁（一）梁截面面積為2146.2cm，慣性矩為32524479.7 cm，凈截面模量

大板梁（二）梁截面面積為1479.2 cm，慣性矩為6347094.3 cm，凈截面模量

2.5.2 大板梁主焊縫計(jì)算

大板梁最大支反力為11610kN，根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT22395-2008）9.2.33主焊縫尺寸

2.5.3 大板梁支座加勁肋計(jì)算

大板梁腹板計(jì)算長(zhǎng)度為1042mm，支座加勁肋寬455mm厚50mm，查表，加勁肋應(yīng)力

2.5.4 大板梁局部穩(wěn)定計(jì)算

需設(shè)置橫向加勁肋。

第一段大板梁最大剪力為1161t，剪切應(yīng)力

加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高，取加勁肋間距2m。

第二段大板梁最大剪力為707.9t，剪應(yīng)力

加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高，取加勁肋間距3.76m。

第三段大板梁最大剪力為449t，剪切應(yīng)力

加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高，取加勁肋間距3.22m。

第四段大板梁最大剪力為181.3t，剪切應(yīng)力

查表

加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高，取加勁肋間距3.21m。

加勁肋寬應(yīng)大于，考慮疊梁影響，取440mm，厚度應(yīng)大于寬度的十五分之一，厚度取30mm。

2.6.整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用staad有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)選擇1.1，荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)使用年限50年，最大組合應(yīng)力比為0.93，X向最大層間位移角為1/1593，Y向最大層間位移角為1/1044，滿足規(guī)范要求。

3、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹華潤(rùn)660MW超超臨界電站鍋爐構(gòu)架工程設(shè)計(jì)過(guò)程，總結(jié)出以下構(gòu)件連接形式為鉸接的重型工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1）荷載統(tǒng)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同荷載類型進(jìn)行計(jì)算匯總;

2）普通柱腳可選用分離式柱腳，承受荷載較大的柱腳應(yīng)選用靴梁式柱腳，承受上拔荷載應(yīng)選用抗拔柱腳，并根據(jù)不同的柱腳形式參照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì);

3）立柱應(yīng)按照軸心受力構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算校核;

4）橫梁應(yīng)按照受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算校核，部分受扭構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗扭驗(yàn)算;

5）梁高過(guò)高的橫梁應(yīng)采用疊合梁形式，并對(duì)其主焊縫、支座加勁肋、局部穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算校核;

6）整體設(shè)計(jì)可采用有限元軟件進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)層間位移角進(jìn)行校核。

（作者單位：上海同豪土木工程咨詢有限公司）