某火電廠煙道鋼支架的設(shè)計(jì)與分析

段雷琳

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

當(dāng)前新能源發(fā)展勢(shì)頭正猛，未來能源發(fā)展的趨勢(shì)是大力發(fā)展清潔能源。雖然煤電在發(fā)電領(lǐng)域中的比重正在逐年下降，但我國(guó)電力行業(yè)以煤為主的特點(diǎn)將一直持續(xù)到2040年，從電能供應(yīng)的總量上看，我國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)依然是以火電為主[1]。煙道是輸送煙氣的重要工藝設(shè)備，鍋爐和除塵器之間由前煙道連接，脫硫塔和煙囪之間則由后煙道連接。由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜，煙道鋼支架的結(jié)構(gòu)布置一般不規(guī)則，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中常常出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。本文對(duì)煙道鋼支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 工程概況

根據(jù)工藝提資，該段煙道為前煙道，煙氣從鍋爐排出通過煙道進(jìn)入靜電除塵器。煙道需要穿越多層支架升至支架頂層，并通過支座支承在鋼支架上，煙道及支架剖面如圖1所示。煙道支架高18.4 m，長(zhǎng)40 m，寬18 m，該鋼支架共分為6.1 m、13.2 m、18.4 m三層，底部?jī)蓪泳糜谥С袩煹?，頂層是設(shè)備層也是檢修層，該層除了支撐出口煙道之外，還承擔(dān)了低溫省煤器等絕大部分設(shè)備的荷載。

圖1 煙道及支架剖面

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 結(jié)構(gòu)形式

煙道鋼支架結(jié)構(gòu)的平面及立面布置都不規(guī)則，平面開洞多，大開洞部位往往也是工藝荷載的主要作用部位。鋼梁跨度大，結(jié)構(gòu)平面剛度較弱，采用純框結(jié)構(gòu)往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋼支架通常采用框架-支撐結(jié)構(gòu)和排架-支撐結(jié)構(gòu)。

（1）框架-支撐結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，梁柱為剛接，支撐與柱為鉸接。根據(jù)抗側(cè)移剛度，可分為強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架[2]。

（2）排架-支撐結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)，梁柱為鉸接，支撐與柱為鉸接，框架柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1。

從受力上分析，框架-支撐結(jié)構(gòu)由于梁柱剛接，鋼梁跨中的彎矩和撓度都比排架-支撐結(jié)構(gòu)要小，鋼梁的截面更小，但卻增加了鋼柱平面內(nèi)和平面外的彎矩，導(dǎo)致鋼柱的截面更大。結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，兩種結(jié)構(gòu)形式的總體經(jīng)濟(jì)造價(jià)相差不大。

從施工進(jìn)度和難度上分析，框架-支撐結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)一般做成純焊接接頭或栓焊組合接頭，而排架-支撐結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)大多做成純螺栓連接。在實(shí)際施工過程中，排架-支撐結(jié)構(gòu)在施工進(jìn)度和難度方面都更有優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合以上因素，考慮到該工程對(duì)施工進(jìn)度要求較高，故采用排架-支撐結(jié)構(gòu)體系。

此外，鋼柱與基礎(chǔ)的連接多為鉸接，這樣施工較為簡(jiǎn)便，施工工期更短。但是，當(dāng)水平力荷載、風(fēng)荷載較大時(shí)，柱腳容易出現(xiàn)較大的上拔力，在進(jìn)行柱腳設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意螺栓的抗拔驗(yàn)算。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

首先按工藝提資合理布置柱網(wǎng)，然后按標(biāo)高逐層布置鋼梁、鋼牛腿、鋼格柵板及鋼梯等構(gòu)件。其中水平支撐的布置應(yīng)使其既能傳遞該平面層的水平荷載，又能提高該平面的水平剛度。本項(xiàng)目的6.1 m和13.2 m層只是用來支撐煙道，沒有平臺(tái)。由于兩個(gè)煙道沿著中軸線對(duì)稱布置，荷載主要作用在2～3軸與4～5軸之間，故在3～4軸之間沿著縱向E1～E3軸布置水平支撐，6.1 m層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。頂層18.4 m層是主要的設(shè)備層，并兼做檢修平臺(tái)層。該層荷載較大（水平力、風(fēng)荷載、地震荷載），應(yīng)盡量在鋼梁的側(cè)向設(shè)置水平支撐，這樣既可以有效提高整個(gè)設(shè)備層的水平剛度，又能減小鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，是減小有較大荷載梁截面的有效措施。18.4 m層除了煙道出口開洞，水平支撐在鋼格柵下方打滿整個(gè)平面層，以保證在荷載作用下該層平面內(nèi)同方向的水平位移相差不大。

圖2 6.1 m層結(jié)構(gòu)布置

平面層布置完成后就可以進(jìn)行立面布置。立面布置主要是垂直支撐的布置，合理的垂直支撐布置既能有效傳遞各層水平荷載，又能有效減小結(jié)構(gòu)的總位移及層間位移。在不阻擋設(shè)備的前提下，應(yīng)盡量規(guī)則均衡布置，最好將豎向支撐從上到下連續(xù)布置，避免中斷。垂直支撐一般采用中心交叉支撐、V型支撐，其與梁柱采用鉸接連接方式。本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際情況，在3～4軸交E1～E3軸以及1～6軸交E2～E3軸的位置，從上到下設(shè)置連續(xù)垂直支撐，從而與水平支撐共同作用，有效提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。

2.3 構(gòu)件截面形式

結(jié)合鋼構(gòu)件受力特點(diǎn)及以往經(jīng)驗(yàn)，鋼支架鋼柱一般采用H型鋼或箱型截面，鋼梁采用H型鋼或槽鋼，水平支撐可采用單角鋼或雙角鋼，垂直支撐可采用H型鋼或圓鋼管等。構(gòu)件截面的形式和尺寸需根據(jù)實(shí)際桿件內(nèi)力、連接節(jié)點(diǎn)、節(jié)間無支撐長(zhǎng)度等因素綜合考慮。本項(xiàng)目E1軸鋼柱采用HW400×400型鋼，E2、E3軸鋼柱采用HW500×400型鋼。鋼梁按鉸接考慮，采用H型鋼，具體截面根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定。水平支撐采用雙角鋼2L140×14，垂直支撐采用圓鋼管P245×12。

3 荷載取值

根據(jù)荷載種類，在MIDAS Gen軟件中定義了9種荷載工況：D——結(jié)構(gòu)及各附屬構(gòu)件自重，Dgz——管道及支吊架凈重，Ljh——積灰荷載，Lh——管道膨脹摩擦力，Lh1——補(bǔ)償器產(chǎn)生的盲板力，Wx——X向風(fēng)荷載，Wy——Y向風(fēng)荷載，Rx——X向地震力，Ry——Y向地震力，其中Rx、Ry為軟件自帶反應(yīng)譜荷載工況，無須用戶額外定義，只需根據(jù)實(shí)際情況定義反應(yīng)譜函數(shù)。

3.1 永久荷載

永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、鋼格柵平臺(tái)自重、電纜橋架、鋼樓梯以及工藝提資的管道及支吊架凈重。由于模型中已經(jīng)建入鋼柱、鋼梁，只需將鋼格柵自重以面荷載施加到18.4 m層上，電纜橋架、鋼樓梯自重則以線荷載施加到鋼梁上，管道及支吊架凈重由工藝提資以點(diǎn)荷載的形式施加在鋼梁上。

3.2 可變荷載

可變荷載包括鋼格柵平臺(tái)和鋼樓梯的活荷載、風(fēng)荷載、煙道積灰荷載，以及滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架由于煙道升溫（熱態(tài)）或降溫（冷態(tài)）時(shí)產(chǎn)生的摩擦力以及補(bǔ)償器產(chǎn)生的盲板力。各荷載按面荷載、線荷載、點(diǎn)荷載形式施加到結(jié)構(gòu)上。

煙道支架是一種無維護(hù)結(jié)構(gòu)，受風(fēng)面主要是鋼構(gòu)件以及設(shè)備。該項(xiàng)目基本風(fēng)壓W0=0.4 kN/m2（50年一遇），可按受風(fēng)面積折算為線荷載或點(diǎn)荷載施加到對(duì)應(yīng)桿件上。廠家一般會(huì)提供煙道和設(shè)備風(fēng)荷載，但往往會(huì)忽略其所在高度而產(chǎn)生的風(fēng)壓高度系數(shù)的改變，因此在設(shè)計(jì)過程中需要核實(shí)。此外，頂層設(shè)備具有一定的高度，合力作用點(diǎn)相對(duì)于支架還存在一個(gè)力臂，通常設(shè)備受風(fēng)面較大，這使得這個(gè)彎矩也較大，設(shè)計(jì)中不能忽略。

盲板力通常由工藝提供具體數(shù)值，而摩擦力一般按0.1倍豎向荷載考慮，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者計(jì)算，方向則是與管道膨脹或收縮方向相反。由于管道支座較多，摩擦力方向較難確定，需要參考固定支座來判斷相鄰管道的方向，荷載組合中需要考慮膨脹與收縮兩個(gè)方向。

3.3 偶然荷載

偶然荷載包括設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)或事故時(shí)產(chǎn)生的摩擦力及內(nèi)壓力等。

3.4 地震作用

該建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，抗震等級(jí)為三級(jí)，反應(yīng)譜特征周期Tg=0.65g，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]，本工程考慮了多項(xiàng)荷載組合，取各自的最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算要點(diǎn)

采用MIDAS Gen軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間整體建模，進(jìn)而對(duì)鋼支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和桿件驗(yàn)算，煙道鋼支架空間模型如圖3所示。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第3.4.3條對(duì)建筑“不規(guī)則性”的定義，該煙道鋼支架既為“平面不規(guī)則”又為“豎向不規(guī)則”結(jié)構(gòu)。

圖3 煙道鋼支架空間模型

4.1 周期比

提取該項(xiàng)目的前3個(gè)振型進(jìn)行分析，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，第1振型為X方向平動(dòng)，第2振型Y方向平動(dòng)，第3振型為扭轉(zhuǎn)。按規(guī)范要求Tt與T1的比值應(yīng)小于0.85[4]，計(jì)算結(jié)果Tt/T1=0.7002/0.8288=0.845，滿足規(guī)范要求。

表1 前3個(gè)振型

4.2 位移分析

關(guān)于層間位移，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在多遇地震作用下，多、高層鋼結(jié)構(gòu)的層間位移比限值為1/250[4]，《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的層間位移限值為1/300，頂點(diǎn)位移限值為1/400。為了方便計(jì)算，常將結(jié)構(gòu)按無側(cè)移框架考慮柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，在重力、風(fēng)荷載或地震荷載組合工況下，層間位移比限值為1/500。經(jīng)過軟件計(jì)算，結(jié)構(gòu)的樓層最大層間位移比分別為：X向1/740（第三層），Y向1/980（第三層），均滿足規(guī)范要求。

4.3 柱子和支撐的長(zhǎng)細(xì)比

按規(guī)范要求，受壓桿件的長(zhǎng)細(xì)比限值為1/150，受拉桿件的長(zhǎng)細(xì)比限值為1/300[5]，設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.4 桿件的驗(yàn)算

進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析后，可得到每根桿件各種荷載組合下的內(nèi)力值，然后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可對(duì)各桿件進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形的驗(yàn)算。通常情況下，桿件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比應(yīng)控制在0.9以內(nèi)，這樣既經(jīng)濟(jì)又安全。查看驗(yàn)算結(jié)果，可知該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.773，為頂層某框架梁，此外所有桿件的穩(wěn)定性、變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

煙道鋼支架荷載種類多、荷載取值大、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜而不規(guī)則，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)注意正確的荷載取值、合理的結(jié)構(gòu)布置、熟練的軟件操作，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，方能得到可靠的計(jì)算結(jié)果。