郭中偉

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

鎳鐵合金余熱鍋爐用于回收鎳鐵冶煉電爐產(chǎn)生的煙氣余熱來發(fā)電。2012年初，杭鍋集團(tuán)為廣東某公司設(shè)計60MVA的鎳鐵合金礦熱余熱鍋爐。鍋爐室外露天布置，自然水循環(huán)方式，整體采用單鍋筒3換熱回程、膜式壁、全自然循環(huán)形式。

1 鋼架設(shè)計、布置原則

（1）本鍋爐在結(jié)構(gòu)方面，過熱器和蒸發(fā)器由吊掛管吊掛，省煤器由通風(fēng)梁支撐，即前吊后支的形式，這點(diǎn)跟一般的余熱鍋爐有較大區(qū)別。故鍋爐前半部分主要的荷載都作用在頂部梁上，后半部分的荷載通過通風(fēng)梁支到框架梁上。鍋爐鋼架安裝場地類別為Ⅱ類，地震設(shè)防烈度7度，基本風(fēng)壓0.7kN/m2，雪荷載較小可忽略，其余各工況荷載按工藝人員提資。根據(jù)以上特點(diǎn)初步確定這臺鍋爐鋼架的結(jié)構(gòu)形式。

（2）考慮到鍋爐重量很大，一部分作用在標(biāo)高19.4m，且考慮7度地震及風(fēng)壓較大，此處除頂部梁采用較大截面外，梁下方均布置垂直支撐，以減小主梁的截面，且可以大大降低水平荷載對框架的位移影響。此處的鋼架主要考量指標(biāo)為層間位移角及梁豎向和水平撓度。

（3）由于本鋼架在左起第二排柱子的下部無垂直支撐來抵擋水平力對柱子的影響，故采用在19.4m下方沿高度方向連續(xù)三層均布置水平支撐，利用水平撐桿與梁形成的剛性支撐來增加此排柱子的側(cè)向剛度以減少立柱面外計算長度，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（4）考慮到頂層鍋筒的重量及懸吊桿所傳遞的過熱器及蒸發(fā)器熱面的重量，頂部及第二層梁采用較大截面，并且這兩層梁下部中間位置均布置人字撐，這樣既減小了梁的截面又可抵抗地震及風(fēng)所產(chǎn)生的水平作用。使鍋爐26.4m處的頂部位移不超過水平位移上限。其余梁只做連接不用承擔(dān)較大豎向力，故下方的垂直支撐為華倫式，僅抵抗水平力即可，斜撐長細(xì)比限值也可適當(dāng)放寬。

（5）尾部熱面采用通風(fēng)梁結(jié)構(gòu)(箱型梁，端部設(shè)導(dǎo)管，熱空氣可從梁內(nèi)流出)，省煤器的重量通過懸吊的通風(fēng)梁傳遞到相應(yīng)的梁上，梁下方均有垂直支撐以抵抗水平力。按框架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，以減少立柱平面外的計算長度，受力明確，傳力直接均勻?qū)ΨQ。

（6）左起第3排柱子既承受左側(cè)過熱器、蒸發(fā)器重量又要承受右側(cè)省煤器的重量，累積到底部應(yīng)力過大，在柱子上部布置垂直支撐時考慮讓支撐往兩邊柱子傳力，使此排柱子底部應(yīng)力降下來。這些垂直支撐既起到抵擋水平力作用又能把柱子上過大的力轉(zhuǎn)移到旁邊的柱子上去，不用增大此排柱子的截面，一舉兩得，使柱子的截面尺寸更加合理。

（7）該支架荷載較大，鋼柱腳要求剛接，基礎(chǔ)考慮為埋入式連接，此時基礎(chǔ)部分的設(shè)計應(yīng)依據(jù)廠家提供的柱底力各標(biāo)準(zhǔn)工況自行組合設(shè)計基礎(chǔ)，并布置好預(yù)埋件。

2 鋼架的設(shè)計和計算過程

2.1 荷載的統(tǒng)計及作用位置

按照《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求，鍋爐荷載統(tǒng)計為6900kN，包括熱面重量、水、保溫、積灰等，由于平臺活載較小也含在總重內(nèi)。荷載按照鍋爐結(jié)構(gòu)布置作用在相應(yīng)的點(diǎn)上。

2.2 地震力的計算

水平地震力的計算依據(jù)陣型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計算。項(xiàng)目設(shè)防烈度7度，地震加速度值0.15g，分組為第一組，場地類別II類。依據(jù)前面參數(shù)，特征周期值取0.35s。鍋爐結(jié)構(gòu)基本自振周期可按《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》7.3.11條近似公式計算，也可在有限元軟件中建模模擬。根據(jù)地震影響曲線，求底部地震作用FEK過程如下：

αmax—水平地震影響系數(shù)最大值。

Tg—特征周期。

T—自振周期。

G—結(jié)構(gòu)重力荷載代表值。

α—地震影響系數(shù)。

依據(jù)上述公式得出支架的反應(yīng)譜曲線。各層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和頂部附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按高度與重量相應(yīng)分配到各層。由于本鍋爐結(jié)構(gòu)較為特殊，地震影響系數(shù)應(yīng)分兩部分計算：爐前部分，主要荷載為吊掛荷載，此時考慮地震工況下，熱面會有一定的位移，可適當(dāng)減小該部分地震影響系數(shù)；而爐后部分為常規(guī)結(jié)構(gòu)按一般公式即可。

2.3 風(fēng)荷載的計算

（1）風(fēng)荷載按下列公式進(jìn)行計算（見建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范）。

WK=βzμsμzWo WK—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

Bz—Z高度處的風(fēng)振系數(shù) μs—風(fēng)荷載的體型系數(shù)

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù) Wo—基本風(fēng)壓

根據(jù)每層對應(yīng)的受風(fēng)面積把風(fēng)載分配到每層相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。本項(xiàng)目風(fēng)荷載較大，故需考慮鍋爐自重對風(fēng)荷載的有利影響，依《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》3.2.4條基本組合時增加一項(xiàng)組合：結(jié)合鍋爐行業(yè)特點(diǎn)永久荷載組合值系數(shù)取0.9，以削減自重的有利影響。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)工況下，支架層間位移角取h/400，來核算支架側(cè)向變形。

（2）考慮鍋爐工藝的特殊要求，鍋爐鋼支架的防雨僅限于外包受熱面部分，鋼支架為裸露。因此，分配鍋爐各受熱面的風(fēng)荷載時，對爐前膜式壁部分應(yīng)分配至各膜式壁的限位裝置上，而爐后部分則依據(jù)各層熱面的高度及寬度分配到各層梁柱節(jié)點(diǎn)。由于各熱面剖面均為矩形，風(fēng)荷載體型系數(shù)可按1.3考慮，風(fēng)壓高度變化系數(shù)則根據(jù)各熱面的高度依據(jù)《建筑荷載規(guī)范》8.2.1條采用，地面粗糙度按B類考慮。

2.4 STAAD有限元軟件建模計算過程介紹

利用鋼結(jié)構(gòu)計算軟件STAAD進(jìn)行建模分析，把各荷載作用在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行分析計算。根據(jù)不同的工況對鍋爐本體重量、平臺活載、風(fēng)載、地震荷載進(jìn)行組合，另尚應(yīng)專門組合現(xiàn)場水壓試驗(yàn)時的特殊工況。檢查各個桿件的內(nèi)力變形及不同高度的位移。按照《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的結(jié)構(gòu)水平位移容許值及梁撓度容許值驗(yàn)算，按照桿件的強(qiáng)度設(shè)計值進(jìn)行應(yīng)力大小的校核；并對模型進(jìn)行調(diào)整，直至安全經(jīng)濟(jì)合理。依據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.15條對于鍋爐頂板主梁撓度限值取L/850，這對梁的要求很嚴(yán)，故此處要重點(diǎn)關(guān)注。如不滿足應(yīng)調(diào)整梁截面，以免運(yùn)行中出現(xiàn)主梁撓度過大情況。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)布置圖

2.5 構(gòu)件的截面選取

對主受力的梁柱采取鋼板拼接的箱型結(jié)構(gòu)，次梁可采用H型鋼，斜撐可根據(jù)荷載大小選用H型鋼或圓管。而各型鋼及H型鋼的選用應(yīng)采用常用規(guī)格，以便采購。

2.6 節(jié)點(diǎn)分析及材料選用

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要注意節(jié)點(diǎn)的合理選用，節(jié)點(diǎn)對鍋爐鋼結(jié)構(gòu)尤為重要。對于前部懸吊膜式壁的大梁應(yīng)在工藝對應(yīng)的熱面位置下方開孔，開孔需注意為上翼緣小下翼緣大，以考慮膜式壁運(yùn)行過程中因熱膨脹引起的擺動（類似鐘擺運(yùn)動）。另外，膜式壁對應(yīng)的限位裝置應(yīng)特殊考慮，除應(yīng)考慮水平地震作用引起的側(cè)向應(yīng)力，還應(yīng)考慮風(fēng)荷載時的影響，依據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》5.4.1條兩者作用可不疊加。對于通風(fēng)梁的設(shè)計，尚應(yīng)根據(jù)煙氣溫度選用相應(yīng)的耐熱材料或采取普通材料外包耐熱澆注料的形式隔熱，選用標(biāo)準(zhǔn)可參照《煙囪設(shè)計規(guī)范》中4.3.7條引用的歐標(biāo)數(shù)據(jù)。另外，有斜撐處及集中荷載作用處（如支通風(fēng)梁處）均應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)板以保證局部穩(wěn)定。

3 項(xiàng)目總結(jié)

通過以上分析可知，此結(jié)構(gòu)主承重部分為頂部梁及尾部通風(fēng)梁下的支撐梁，荷載分析時主要調(diào)整這些梁的截面，因?yàn)檫@些梁下方均有垂直支撐，故可以抵抗水平力的影響使鋼架位移滿足規(guī)范要求。而對于左側(cè)第二排柱子的水平位移控制，則以添加水平支撐為主。另外，由于項(xiàng)目處地震烈度和風(fēng)壓都很大的區(qū)域，需在主要水平力作用點(diǎn)附近增加支撐以抵抗其影響，使結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性大大提高，而同時合理的布置又能使梁柱等桿件的截面大大減小，提高了鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考

結(jié)構(gòu)設(shè)計分門別類包括民用、工業(yè)、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、等。所以，作為一名設(shè)計人員需精通各種結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)等，這些是我們做好結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，有此基礎(chǔ)后再拓寬知識面，涉獵較多的專業(yè)規(guī)范和不同的項(xiàng)目，多思考、多分析。

目前結(jié)構(gòu)軟件發(fā)展飛快，也讓很多設(shè)計人員過于依賴軟件，我們應(yīng)保持足夠的手算能力和把復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的簡單力學(xué)模型的能力，在軟件之外進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)，這樣才能把結(jié)構(gòu)設(shè)計做得更合理。