甄 軍

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

鍋爐鋼架柱腳設計探討

甄 軍

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

結合工程實例，介紹了鍋爐鋼架柱腳設計的一般規(guī)定，從柱腳埋深確定、預埋鋼筋計算、注意事項等方面，闡述了鍋爐鋼架柱腳設計的措施，有利于保證整個鍋爐鋼架的安全性。

鍋爐鋼架，柱腳，鋼筋，螺栓

0 引言

我公司承擔的熱電工程設計中，一般情況下，結構設計人需配合鍋爐制造廠完成鍋爐鋼架基礎的設計。制造廠對鍋爐鋼架柱腳與基礎的固定形式通常要求剛接，錨固形式采用預埋鋼筋焊接或地腳螺栓，一般制造廠的資料中有所規(guī)定，此外并無其他特殊要求。為安裝校正簡便，大部分情況下均采用預埋鋼筋錨固，與柱腳焊接固定后進行兩次灌漿，灌漿料通常用高一等級的細石混凝土或者水泥基灌漿料。然而，國內(nèi)現(xiàn)有的設計規(guī)范沒有給出預埋鋼筋的計算方法，這給結構設計人帶來很多困惑。本文基于目前鍋爐鋼架柱腳設計研究情況的總結，提出了鍋爐鋼架柱腳設計要求，下面將結合工程實例，詳細討論這個問題。

1 一般規(guī)定

設計鍋爐鋼架基礎時必須先了解所設計的鍋爐類型與產(chǎn)品型號，用在火力發(fā)電廠的鍋爐設備通常是固定的，大多系采用煤為燃料，也有采用燃氣及燃油的。目前電力工程中運用較多的是煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐。

鍋爐鋼架基礎一般在鍋爐房除灰層(±0.000)標高附近，支撐鍋爐鋼架設備本體以及附屬設備全部荷載，鍋爐鋼架柱子通常亦用以支撐鍋爐運轉(zhuǎn)層的部分樓板，土建設計的任務只是地下結構部分，包括支撐鍋爐鋼架柱的基礎在內(nèi)。

柱腳與基礎的連接方式有固接和鉸接兩種，為了使柱所承受的荷載安全地傳遞到基礎中，柱腳要有適當?shù)恼w剛度，各部分的板件要有足夠的強度和可靠的連接。柱腳詳圖見圖1。

2 鍋爐鋼架柱腳設計

本文將鍋爐鋼架柱腳設計分三個方面來展開，分別是：

1)柱腳埋深確定；

2)預埋鋼筋計算；

3)注意事項。

2.1 柱腳埋深確定

從結構設計的角度出發(fā)，鋼柱腳的固接形式基本上有四種：外露式柱腳、插入式柱腳、埋入式、外包式。除外露式柱腳沒有埋深要求外，其他幾種柱腳形式均有明確的埋入深度要求。GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范[1]規(guī)定：插入式柱腳中，鋼柱插入基礎杯口的最小深度din可按表8.4.15取用，但不宜小于500 mm，亦不宜小于吊裝時鋼柱長度的1/20。高鋼規(guī)程中規(guī)定埋入式及外包式柱腳埋入深度為截面高度的2倍～3倍，是引用日本的經(jīng)驗，對抗震有利。而鋼骨混凝土規(guī)程中對此沒有提出要求。

從鍋爐制造廠的角度出發(fā)，20世紀70年代之前，中國的鍋爐設計，基本上是從前蘇聯(lián)引進的技術。最大鍋爐機組是20 MW。鍋爐鋼柱與基礎的連接方式明確是固接。柱腳的埋深沒有條文規(guī)定，根據(jù)柱斷面的大小，計算柱腳靴梁的高度，并取靴梁的高度為柱腳的埋深，圖紙上看到的只有500 mm和700 mm兩個數(shù)值，與柱子的最大寬度沒有明確的數(shù)量關系[2,3]。

從20世紀 80 年代開始，中國引進美國CE公司的300 MW和600 MW鍋爐技術之后，才有了鉸接柱腳。不論是鉸接柱腳還是固接柱腳，我國鍋爐行業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的做法，根據(jù)柱子的大小設置500 mm，700 mm，1 000 mm，1 200 mm等不同的埋深?，F(xiàn)行國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結構設計規(guī)范[4]對柱腳的埋深也只是籠統(tǒng)的規(guī)定可按承載大小取300 mm～1 000 mm，并沒有做具體明確的規(guī)定。

通過比較發(fā)現(xiàn)，對于埋深的不同要求，其根本原因在于鍋爐制造廠與設計單位之間對柱腳設計沒有形成統(tǒng)一的認識，土建結構設計時按照外包式柱腳采取設計方法，而鍋爐制造廠采取外露式柱腳設計方法。為什么會出現(xiàn)這種設計方法的不同，原因就在于預埋錨筋錨固形式。

固接外露式柱腳形式是通過錨入混凝土中的柱腳錨栓來承受拉力，通過柱底的抗剪鍵來承受剪力，設計方法和構造要求是非常明確的。

實際的工程中，為了精確定位柱腳錨栓，施工過程中就需要用到錨栓固定架，而固定架也必須經(jīng)過設計，并按設計要求制作。固定架必須有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，所定螺栓位置應嚴格按設計、設備要求準確定位，中心、標高、垂直度應在允許偏差范圍內(nèi)。

然而，由于工期的要求，現(xiàn)在的工程基本上是邊設計邊施工，在鍋爐基礎準備進行施工時，固定地腳螺栓的定位架還未經(jīng)設計及定貨制作。因此，為了施工校正方便，往往取消了地腳錨栓，采用預埋鋼筋固定形式，并通過鋼筋熱彎與柱腳底板或加勁肋雙面焊接來承受拉力，實際上仍然是外露式柱腳，但結構設計可能認為取消錨栓后應該采取插入式或外包式的構造要求，這就導致了關于柱腳埋深問題的出現(xiàn)。

因此，為了設計的標準化并使設計者有一個可遵循的原則，建議鍋爐鋼柱柱腳的埋深統(tǒng)一明確規(guī)定取靴梁和連接板的高度并往高100 mm圓整。實際上有不少鍋爐構架設計的結果,也基本上滿足GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范規(guī)定，但這只是數(shù)值上的巧合，而不是理論上的一致。

2.2 預埋鋼筋計算

現(xiàn)行國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結構設計規(guī)范10.3.18條e款對于固接柱腳錨栓的確定如下：

柱底板一邊緣的應力按式(1)計算：

(1)

柱底板另一邊緣的應力按式(2)計算：

(2)

固接柱腳應力分布見圖2。

如果qmin<0，說明柱底板與基礎之間產(chǎn)生拉應力，此時假定拉應力的合力由錨固螺栓承受。設壓應力合力的作用點在D點，根據(jù)對D點的力矩平衡條件∑MD=0，可得錨固螺栓拉力T按式(3)計算：

(3)

根據(jù)錨固螺栓所承受拉力T，確定錨固螺栓的數(shù)量和直徑。錨固螺栓的長度應按照要求設置。當埋置深度受到限制時，則錨栓應牢固地固定在錨板或錨梁上，以傳遞錨栓的全部拉力，此時錨栓與混凝土之間的粘結力可不予考慮。

對于采用預埋錨筋的形式，規(guī)范并沒有給出計算公式。而且，預埋錨筋均在柱腳底板外圍，如果仍采用上述計算公式，在其他參數(shù)不變的條件下，d值增大，拉力變小，計算結果變小。

因此建議預埋錨筋計算時，d的取值應考慮預埋錨筋熱彎后與鋼柱實際焊接位置的影響，適當減少取值，以保證安全。

2.3 注意事項

1)設計單位注意事項：必須了解鍋爐房的建筑結構和熱機設備的布置情況；鍋爐基礎和主廠房結構之間必須設置沉降縫分開，并應考慮基礎與主廠房結構的差異沉降對工藝設備的影響；必須考慮鍋爐房運轉(zhuǎn)層樓板擱置的要求；必須考慮鍋爐房今后的擴建條件，如地下基礎標高應考慮沖灰溝的設計坡度及穿越問題；在鍋爐基礎的上面不得直接設置振動較大的動力機械基礎，如磨煤機、引風機和送風機等。

2)鍋爐制造廠注意事項：設計圖紙要考慮施工方便性和可靠性，可根據(jù)國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結構設計規(guī)范計算出柱腳錨栓，提供給設計單位以供參考；根據(jù)柱腳靴梁大小確定合理的埋深；鋼柱的底板上應設計排氣孔以便二次灌漿。

3)施工單位注意事項：施工單位應熟悉DL 5190.2—2012電力建設施工技術規(guī)范第二部分：鍋爐機組[5]，并經(jīng)安全考試合格方準上崗工作；鍋爐基礎檢查、劃線和墊鐵安裝應按照規(guī)范要求執(zhí)行。

4)建設單位注意事項：建設單位應選擇正式的電建施工隊伍。

3 工程實例

某熱電工程中主廠房鍋爐間，布置有210 t/h鍋爐一臺，410 t/h鍋爐4臺，鍋爐制造廠提供的鍋爐鋼架基礎荷載如下：柱腳埋深均為500 mm，基礎采用C30混凝土，預埋錨筋采用HPB300。d的取值考慮預埋錨筋熱彎后與鋼柱實際焊接位置的影響，d=a-150 mm，部分計算結果如表1～表3所示。

表1 鍋爐制造廠提供的柱腳荷載表

表2 鍋爐鋼柱腳計算結果(一)

表3 鍋爐鋼柱腳計算結果(二)

經(jīng)過驗算，qmin>0，說明柱底板與基礎之間未出現(xiàn)拉力，按照構造要求配置預埋錨筋即可，且混凝土局部壓應力滿足要求。

4 結語

通過以上分析可以得到結論：

1)柱腳埋深不必按照插入式或埋入式的要求設置，但為了設計的標準化并使設計者有一個可遵循的原則，建議鍋爐鋼柱柱腳的埋深統(tǒng)一明確規(guī)定取靴梁和連接板的高度并往高100 mm圓整。

2)預埋錨筋固定方式中，預埋錨筋的計算可參照固結柱腳錨栓的計算方法，但d的取值應考慮預埋錨筋熱彎后與鋼柱實際焊接位置的影響，適當減少取值，以保證安全。

3)鍋爐制造廠、設計單位、施工單位、建設單位應加強溝通協(xié)作，各單位應充分考慮相互之間的要求，既保證設計安全也要便于施工。

4)鍋爐柱腳的構造要求必須保證，在計算理論及實驗數(shù)據(jù)較少的情況下，構造的滿足就顯得尤為重要。

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[2] 電站鍋爐鋼結構設計導則與計算方法[Z].上海：上海發(fā)電設備成套設計研究所，1978.

[3] 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司.鍋爐構架設計手冊[Z].哈爾濱：哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，1985.

[4] GB/T 22395—2008，鍋爐鋼結構設計規(guī)范[S].

[5] DL 5190.2—2012，電力建設施工技術規(guī)范[S].

Abstract: Combining with the engineering cases, the paper introduces the general rules for the design for pedestal of boiler’s steel frame, and illustrates the measures in the design for the steel frame from the identification of the pedestal burial depth, pre-buried reinforcement calculation, and precautions, so as to ensure the safety of the whole boiler’s steel frame.

Key words: boiler’s steel frame, pedestal, reinforcement, bolt

Study for design of steel boiler column base

Zhen Jun

(CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd,Jinan250101,China)

2016-03-13

甄 軍(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0047-03

TU761.2

A