汪 蔚，曹平周，劉 成

(河海大學土木與交通學院，江蘇南京210098)

我國正在全面增建既有火電廠的煙氣脫硝系統(tǒng)。煙氣脫硝反應器(SCR)的支承結構是保證脫硝系統(tǒng)安全工作的關鍵，合理經(jīng)濟的結構選擇和設計對項目經(jīng)濟指標具有重要影響。文中結合華中某火電廠煙氣脫硝系統(tǒng)支承結構設計，提出了3個結構設計方案，通過對比分析三者的受力情況，經(jīng)濟性和抗震性能，選取合理經(jīng)濟的結構方案，供實際工程建設參考。

1 工程概況與結構分析模型

SCR脫硝反應器支架采用框架支撐結構。煙道、反應器荷載作用于支承結構上，支承結構頂部標高為36.870 m。場地類別為I類，該地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05 g(第1組，g為重力加速度)，特征周期為0.25 s，基本風壓為 0.35 kN/m2。

1.1 結構選擇

本項目已完成鋼框架支撐結構(以下稱為方案1)的結構設計，為選擇經(jīng)濟合理的結構方案，文中提出圓鋼管混凝土柱-鋼梁組合結構(以下稱為方案2)和方鋼管混凝土柱-鋼梁組合結構(以下稱為方案3)方案進行分析研究與設計［1］。工藝設計對結構布置有嚴格限制，兩個新方案皆按照全鋼結構設計完成的結構布置布設梁和柱。

1.2 構件及截面選擇

柱設計時，方案1根據(jù)各層柱的荷載情況，采用一至二次變截面焊接工字形鋼柱，方案2與方案3分別采用了一次變截面圓、方鋼管柱，內(nèi)灌強度等級為C40的混凝土。在梁的選擇上，受力較小的梁選用熱軋H型窄翼緣鋼;其他梁選用焊接工字形截面梁，翼緣和腹板均由抗震等級劃分的寬厚比限值確定，以滿足局部穩(wěn)定性要求［2］。

1.3 結構建模

根據(jù)項目所給的SCR反應器體型及荷載分布情況，各類支架所在位置及荷載分布情況，檢修平臺、CEMS小間及電氣配電間的位置及荷載分布情況在對應位置處建立梁系［3］，并根據(jù)梁和支撐的分布情況將結構分為9個柱段，柱段編號及其對應標高見表1。

表1 柱段編號及其對應標高Tab.1 Number of the column sections and elevations

文中分別采用PKPM和SAP2000建立空間結構模型，相互校驗，分析計算空間體系各部分應力和位移，參照相關規(guī)范與標準進行結構設計［2-5］。所建結構空間模型如圖1所示。

圖1 方案1脫硝支架結構空間模型Fig.1 Spacemodel of the denitration bracket structure of project one

由于3個方案的模型在建成之后需要進行對比，故在方案1模型驗算完成之后，應使得方案2和方案3所建模型每個空間位置上的鋼梁在計算軟件中計算所得正應力、剪應力、穩(wěn)定驗算應力和對應承載力的比值與原方案中比值基本相同。

2 3種方案經(jīng)濟性分析

2.1 梁經(jīng)濟性分析

3種方案設計計算采用的鋼梁截面見表2。表2中由于采用鋼管混凝土柱后梁柱所受荷載比例發(fā)生改變，為保持3個方案對應位置處梁的應力比基本相同，后兩個方案修改了部分截面尺寸。

3種方案各類梁最大正應力、剪應力、穩(wěn)定驗算應力與對應承載力的比值［4-6］如圖2～圖4所示。圖2～圖4中，方案2的數(shù)據(jù)取自該方案各類梁截面在所有位置上應力比的最大值，以最大值所在位置為基準，選取同一位置處另外兩個方案鋼梁截面的應力比進行對比。由圖2～圖4可以看出，3種方案同一位置的最大應力比基本接近，滿足設計要求。

3種方案鋼梁的用鋼量對比情況見表3。選用方、圓鋼管混凝土柱后，大部分與柱直接連接的主梁截面尺寸有所減小。方案2的用鋼量比方案1約減少4.4%，約10 t。該結構用于支承工業(yè)設備，梁截面高度減小將有利于設備安裝布置［7］。

表2 3個方案鋼梁截面Tab.2 Steel beam sections of the three projects

圖4 3種方案最大穩(wěn)定驗算應力比Fig.4 Maximum stable stress ratio of three projects

表3 3種方案鋼梁用鋼量對比Tab.3 Comparison on steel consum ption of steel beams of three projects

圖2 3種方案最大正應力比Fig.2 Maximum positive stress ratio of three projects

2.2 柱經(jīng)濟性分析

3種方案所采用的柱截面尺寸見表4，為提高柱截面承載力利用率，減少用鋼量，方案1根據(jù)各柱段荷載情況，采用了3種焊接工字形鋼柱;方案2和方案3分別采用了一次變截面圓、方鋼管柱，內(nèi)灌強度等級為C40的混凝土。

圖3 3種方案最大剪應力比Fig.3 Maximum shear stress ratio of three projects

表4 3種方案柱截面Tab.4 Column sections of the three projects

對3種方案中結構A軸線與3，4軸線相交柱子ZA3，ZA4的軸壓比進行對比，具體結果如圖5和圖6所示。

圖5 3種方案ZA3各柱段軸壓比Fig.5 Axial com pression ratio in every column section of ZA3 of the three projects

圖6 3種方案ZA4各柱段軸壓比Fig.6 Axial compression ratio in every column section of ZA4 of the three projects

由圖5～圖6可見，3種方案中柱的軸壓比［4-6］較為接近，其中方鋼管柱的軸壓比最小，截面承載力利用率最低。

分別對方案1和方案3中結構A軸線與3軸線相交柱子ZA3的強度應力比和平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定應力比進行對比［4，6］，具體結果如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可見，方案3的正應力比小于方案1，部分構件應力比甚至相差0.24。因柱類型變化所導致的用鋼量變化情況見表5。根據(jù)圖5～圖6和表5可知，在柱子軸壓比相近的情況下，采用圓鋼管混凝土柱比采用鋼柱減小一半的用鋼量，約41.82 t，采用方鋼管混凝土柱比采用鋼柱減少三分之一的用鋼量，約 29.01 t。

圖7 2種方案ZA3各柱段正應力比Fig.7 Positive stress ratio in every colum n section of ZA3 of the two projects

圖8 2種方案ZA3各柱段平面內(nèi)穩(wěn)定應力比Fig.8 In-p lane stable stress ratio in every column section of ZA3 of the two projects

圖9 2種方案ZA3各柱段平面外穩(wěn)定應力比Fig.9 Out-p lane stable stress ratio in every colum nsection of ZA3 of the two projects

表5 3個方案柱子用鋼量對比Tab.5 Comparison on steel consum ption of columns of three projects

考慮加工制作、運輸、建造各方面因素，鋼材和混凝土分別按1萬元/t和480元/m3的單價對3個方案的工程造價進行計算［7］，方案1柱子的造價約為79.86萬元，方案2約為38.44萬元，比方案1節(jié)約48.1%，約41.42萬元;方案3約為51.23萬元，比方案1節(jié)約35.9%，約28.63萬元。對比分析可見，方案2的經(jīng)濟性最好。

2.3 整體結構經(jīng)濟性分析

整體結構用鋼量及造價對比情況見表6。從整體結構來看，相對于方案1，方案2可節(jié)約用鋼量和造價17%，方案3可節(jié)約用鋼量和造價13%。因此， 方案2經(jīng)濟性最好。

表6 整體結構用鋼量及造價對比Tab.6 Com parisons of steel consum ption and cost of the integral structures

3 3種結構方案抗震性能分析

3.1 結構自振周期和振型分析

用SATWE計算出3種結構方案的自振周期(見表7)。

由圖10可見，前三階振型分別表現(xiàn)為沿X，Y方向的整體平動和整體扭轉。3個結構在相同振型中的形態(tài)曲線和振型特征比較相似，而扭轉振型在第三階出現(xiàn)，滿足高層建筑設計規(guī)范中所規(guī)定的一、二階振型不能為以扭轉振型為主的要求［2，8］。

3.2 結構位移分析

3種方案在單向地震作用下產(chǎn)生的最大水平位移曲線如圖11所示。

表7 結構自振周期Tab.7 Natural vibration periods of the structures

由表7可見，組合結構方案的自振周期比原方案小，且振型略稀疏，但3種方案各周期之間的規(guī)律性基本一致［8］。由于鋼管混凝土柱的剛度比鋼柱大，故結構的自振周期變小。

3種方案前三階振型結構空間振動簡圖如圖10所示。

圖10 3種方案前三階振型結構空間振動簡圖Fig.10 Space vibration diagram s of the three order vibration graphs of three project

圖11 X，Y方向最大水平位移曲線Fig.11 Maximum horizontal disp lacement of X，Ydirection

由圖11可見，在X方向地震作用下，3個方案沿X方向每個柱段的水平位移值基本相同，而在Y方向地震作用下，方鋼管混凝土柱方案所產(chǎn)生的水平位移比其他兩種方案要小。

3種方案在單向地震作用下所產(chǎn)生的最大頂點位移和最大層間位移角見表8。

表8 3種方案單向地震作用下最大頂點位移及最大層間位移角Tab.8 Ultim ate top Displacement and inter-story disp lacement angle under single-com ponent earthquake action of the three projects

在采用鋼管混凝土柱形成組合結構之后，結構剛度增大可使結構在地震作用下的水平位移減小，有利于內(nèi)部設備的安全。3種方案的結構水平位移變化規(guī)律基本一致，方案3的層間位移角最小，可更好地防止地震作用下結構內(nèi)部設備的變形或破壞。

3.3 結構受力分析

地震作用下，構件內(nèi)部的應力越小，結構的變形和損傷越小，結構的抗震性能越好。圖12和圖13分別給出了3種方案在單向地震作用下柱子ZA3各柱段底部所產(chǎn)生的正應力和剪應力分布曲線。

圖12 X，Y方向地震作用下3種方案ZA3正應力Fig.12 Positive stress of ZA3 under X，Ydirection earthquake action of the three projects

圖13 X，Y方向地震作用下3種方案ZA3剪應力Fig.13 Shear stress of ZA3 under X，Ydirection earthquake action of the three projects

由圖12和圖13可見，方案1的正應力和剪應力都大于組合結構方案［9］，而兩種組合結構方案之間的差距較小。與鋼結構方案相比，鋼管混凝土柱有較大的截面面積來提供更大的剛度和承載力，從而提高結構的抗震性能［10］。建議優(yōu)先采用組合結構方案。

4 結語

當火電廠煙氣脫硝系統(tǒng)支承結構的結構布置方案相同時，與鋼結構方案相比，采用圓鋼管混凝土柱與鋼梁方案可降低用鋼量和造價17%，采用方鋼管混凝土柱與鋼梁方案可降低用鋼量和造價13%。圓鋼管混凝土柱與鋼梁方案的經(jīng)濟性最好。

圓、方鋼管混凝土柱組合結構的自振周期比鋼結構小，振型略稀疏。3種結構方案各周期之間的規(guī)律性基本一致，在相同振型中的形態(tài)曲線和振型特征也相似。3種方案中方鋼管混凝土柱方案的頂點位移和層間位移角最小，圓、方鋼管混凝土柱的應力小于鋼柱。在3種方案中，圓、方鋼管混凝土柱組合結構比全鋼結構方案具有更大的剛度和承載能力，抗震性能更好。

建議設計時優(yōu)先采用圓鋼管混凝土柱與鋼梁的組合結構方案。

［1］王吉忠，劉連鵬，葉浩.鋼管-混凝土組合柱在我國的研究進展與展望［J］.水利與建筑工程學報，2014，12(4):143-149.WANG Jizhong，LIU Lianpeng，YE Hao.The research progress and prospect of steel tube-concrete composite column in China［J］.Journal ofWater Resources and Architectural Engineering，2014，12(4):143-149.(in Chinese)

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50011—2010建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］中國建筑科學研究院.GB50009—2012建筑結構荷載規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2012.

［4］同濟大學，浙江杭蕭鋼構股份有限公司.CECS159:2004矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［5］哈爾濱建設工程學院，中國建筑科學研究院.CECS28:90鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，1990.

［6］曹平周，朱召泉.鋼結構［M］.3版.北京:中國電力出版社，2008.

［7］趙恒忠，周逢源，劉景文.鋼管混凝土高層建筑的經(jīng)濟比較及工程特點［J］.哈爾濱建筑大學學報，2002，35(5):44-48.ZHAO Hengzhong，ZHOU Fengyuan，LIU Jingwen.Economic comparison and engineering properties of 1st CFST tall building in Harbin［J］.Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，2002，35(5):44-48.(in Chinese)

［8］胡瀟，錢永久，段敬民.鋼管混凝土結構抗震性能的比較研究［J］.四川建筑科學研究，2009，35(1):179-183.HU Xiao，QIAN Yongjiu，DUAN Jingmin.Comparative study on the earthquake behavior of concrete filled steel tubular structures［J］.Sichuan Building Science，2009，35(1):179-183.(in Chinese)

［9］郭泳，潘旦光.某鋼管混凝土結構的地震反應分析［J］.建筑結構，2013，43(增刊):464-466.GUO Yong，PAN Danguang.Seismic response analysis of some concrete-filled steel tubes structures［J］.Building Structure，2013，43(Suppl):464-466.(in Chinese)

［10］吳琳，高濤，尹璐.某超高層組合結構抗震性能分析［J］.浙江建筑，2014，31(8):18-22.WU Lin，GAO Tao，YI Lu.Analysis on seismic resistance for a super high-rise assembled structure［J］.Zhejiang Construction，2014，31(8):18-22.(in Chinese)