廖　瑩　黃小玲

(1.中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 南京　210019；　2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京　211102)

?

火力廠鋼結(jié)構(gòu)廠房中懸掛式鋼煤斗連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)

廖瑩1黃小玲2

(1.中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 南京210019；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京211102)

利用ANSYS軟件，對(duì)懸掛式煤斗進(jìn)行了整體受力計(jì)算，分析了懸掛連接點(diǎn)的受力特性，并從懸掛點(diǎn)受力變化、煤斗位移、支撐鋼梁穩(wěn)定以及煤斗安裝等方面，闡述了懸掛式鋼煤斗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，以供同類設(shè)計(jì)參考。

懸掛式鋼煤斗，有限元模型，荷載，地震作用

鋼煤斗是火力發(fā)電廠重要特種結(jié)構(gòu)之一，根據(jù)外立面形式分為方錐斗和圓錐斗。方錐斗優(yōu)點(diǎn)在于其較高的空間利用率，常用于主廠房布置緊湊的中小型規(guī)模發(fā)電廠。與圓錐斗相比，方錐斗的設(shè)計(jì)更容易受到儲(chǔ)料荷載的影響，其壁板承受較大的平面外彎矩和變形，往往在壁板上布置較多的水平和豎向加勁肋。根據(jù)與主廠房主體結(jié)構(gòu)連接方式的不同，煤斗可分為支撐式和懸掛式兩種結(jié)構(gòu)形式，其中支撐式又分為上支撐、下支撐。對(duì)支撐式煤斗而言，需在主廠房特定高度位置設(shè)置煤斗支撐樓層，而懸掛式煤斗則只需在輸煤皮帶層設(shè)置相應(yīng)的懸掛點(diǎn)，相比支撐式煤斗省去了支撐層，結(jié)構(gòu)布置上更加緊湊、經(jīng)濟(jì)。本文以菲律賓某25MW煤機(jī)的鋼煤斗設(shè)計(jì)為背景，對(duì)懸掛式方錐斗與主廠房主體結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題展開探討，并找出合理的問(wèn)題解決方案。

1　工程背景

菲律賓PPEI20MW熱電廠位于菲律賓南部棉蘭老島的伊利甘市，主廠房由汽機(jī)房、除氧煤倉(cāng)間組成，為框架—中心支撐鋼結(jié)構(gòu)，縱向長(zhǎng)38m，橫向?qū)?9.2m，屋頂最大高度39m?？拐鹪O(shè)防烈度為9度(0.4g)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.35s，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

該工程位于山地邊坡區(qū)域，場(chǎng)地空間狹小，主廠房布置非常緊湊，采用方錐形—懸掛式煤斗以充分利用主廠房空間滿足機(jī)務(wù)專業(yè)儲(chǔ)煤量要求。另外考慮到本工程設(shè)防烈度為9度，煤斗采用懸掛式方案能在一定程度上減輕地震作用力、改善結(jié)構(gòu)抗震性能[1]。布置方案如圖1，圖2所示，煤斗布置在～?跨間，共2個(gè)，單個(gè)有效容積200m3，煤斗懸掛于28.20m輸煤皮帶層框架鋼梁及樓板鋼梁下。煤斗頂部垂直段大小為6.0m×6.0m，長(zhǎng)3.5m，板厚為12mm，錐段出料口大小為1.2m×0.5m，長(zhǎng)7.7m，板厚為12mm。煤斗壁布置水平加勁肋以約束煤斗側(cè)向

變形，肋采用標(biāo)準(zhǔn)截面角鋼。

2　煤斗有限元計(jì)算

2.1計(jì)算模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，對(duì)煤斗在儲(chǔ)料荷載作用下的應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算分析，并獲取各懸吊點(diǎn)的荷載。

有限元模型：煤斗壁板采用Shell181單元，加勁肋及裙梁采用Beam189單元，材料為Q235B。

儲(chǔ)料荷載：原煤密度9kN/m3,內(nèi)摩擦角30°，儲(chǔ)料壓力按《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的淺倉(cāng)計(jì)算，并轉(zhuǎn)化成壁板Shell單元的節(jié)點(diǎn)水平荷載及豎向荷載。

約束：煤斗每側(cè)邊設(shè)置5個(gè)懸掛點(diǎn)，約束形式為固結(jié)。

荷載工況：1.2煤斗自重+1.3儲(chǔ)料荷載。

2.2計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型網(wǎng)格及計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示,壁板最大應(yīng)力出現(xiàn)裙梁位置，為76.57MPa，加勁肋最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙梁往下第三排加勁拐角位置，為201.27MPa，且該點(diǎn)為應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力集中可通過(guò)添加內(nèi)弧板予以消除。

2.3懸掛點(diǎn)荷載分析

懸掛點(diǎn)布置如圖6所示，提取各懸掛點(diǎn)荷載如表1所示，在自重及儲(chǔ)料荷載作用下，煤斗懸掛點(diǎn)的荷載作用形式簡(jiǎn)單。直壁段水平肋設(shè)置合理，有效地約束了煤斗壁在儲(chǔ)料荷載作用下的側(cè)向變形，進(jìn)而大大減小了懸掛點(diǎn)對(duì)框架鋼梁的水平作用力。

表1　單斗懸掛點(diǎn)荷載表kN

3　懸掛節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題

3.1煤斗在地震作用下的響應(yīng)

地震作用下，煤斗的水平向運(yùn)動(dòng)將對(duì)支撐鋼梁下翼緣產(chǎn)生水平推力，對(duì)鋼梁的平面外受力以及下翼緣局部穩(wěn)定造成不利影響。受限于問(wèn)題的復(fù)雜性，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算煤斗在地震作用下對(duì)支撐梁的荷載，但顯然上述問(wèn)題無(wú)法忽視，需采取可靠的措施避免上述問(wèn)題。

如圖7所示，地震力F1作用在煤斗梁下翼緣，通過(guò)在樓板鋼次梁與煤斗梁之間布置隅撐將地震力F1傳遞至樓板鋼次梁，并最終通過(guò)抗剪鍵傳遞至混凝土樓板。 如圖8所示，在煤斗裙梁位置布置水平支撐，并將支撐直接與框架柱連接。

3.2懸掛點(diǎn)與柱間交叉支撐相碰處理

煤斗區(qū)域荷載集中，需在兩煤斗間布置柱間交叉支撐以避免地震作用下局部水平變位過(guò)大。由于煤斗豎壁設(shè)置水平加勁肋及裙梁，兩斗間必須預(yù)留足夠的寬度以避讓柱間支撐，且需預(yù)留足夠的懸掛節(jié)點(diǎn)安裝空間。

如圖9所示，邊懸掛節(jié)點(diǎn)采用常規(guī)的布置方案，煤斗壁中心與煤斗支撐梁中心對(duì)齊以盡可能減少因荷載偏心引起的附加扭矩。如圖10所示，中懸掛節(jié)點(diǎn)處支撐鋼梁的下翼緣加寬、節(jié)點(diǎn)貼翼緣邊布置以空出支撐空間，同時(shí)支撐的拼接高強(qiáng)螺栓螺母布置在支撐內(nèi)側(cè)以減少懸掛節(jié)點(diǎn)的偏心。

3.3煤斗安裝

懸掛式煤斗在提高主廠房的儲(chǔ)煤空間利用率的同時(shí)，對(duì)煤斗的安裝提出了更高要求。如圖1，圖2所示，煤斗壁上口的凈尺寸大于支撐鋼梁的凈距，也大于框架柱間的凈距，導(dǎo)致在煤斗安裝就位前煤斗區(qū)域的支撐鋼梁、鋼柱不能安裝，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工安裝提出了更高的要求。因此懸掛節(jié)點(diǎn)方案需為安裝提供方便，同時(shí)煤斗的安裝施工必須結(jié)合鋼框架的安裝施工進(jìn)行統(tǒng)一考慮，以便制定合理的安裝工序。鑒于此，本文提出如下節(jié)點(diǎn)方案并設(shè)計(jì)了完整的煤斗安裝工序，能完全解決煤斗及鋼結(jié)構(gòu)安裝工序問(wèn)題。

節(jié)點(diǎn)方案：如圖9所示，煤斗懸掛點(diǎn)均采用螺栓連接，并將螺母布置在支撐梁翼緣上方以便螺母擰緊。安裝前，可采用點(diǎn)焊方式將螺栓固定在節(jié)點(diǎn)板上，以防螺栓掉落。

煤斗安裝工序如圖10所示：步驟1：煤斗層鋼梁、鋼柱先安裝軸①～軸③鋼框架。步驟2：軸③框架安裝施工完畢后，吊裝左邊煤斗安裝就位。步驟3：安裝軸④框架及柱間支撐，以及左邊煤斗的支撐梁。步驟4：完成左邊煤斗與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)，由于采用全螺栓連接，節(jié)點(diǎn)安裝可在較快速度內(nèi)完成。步驟5：吊裝軸④右邊的煤斗安裝就位。步驟6：安裝軸⑤框架，以及右邊煤斗的支撐梁。步驟7：完成右邊煤斗與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

采用懸掛式鋼煤斗能有效解決小型發(fā)電廠在主廠房體積有限的情況下的儲(chǔ)煤量不足的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)伊利甘1×20MW燃煤電廠懸掛式煤斗的整體計(jì)算分析、連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及煤斗安裝工序的設(shè)計(jì)，可以得出如下結(jié)論：1)合理的設(shè)置水平向加勁肋，可有效控制煤斗豎壁在儲(chǔ)料荷載下的側(cè)向變位，大幅度減少煤斗正常使用時(shí)對(duì)支撐鋼梁的水平作用力，懸掛式節(jié)點(diǎn)以承受豎向力為主。2)煤斗在地震作用下對(duì)支撐鋼梁的水平荷載不能忽略，但存在難以量化的困難。設(shè)計(jì)上可以通過(guò)采用必要的構(gòu)造措施，對(duì)支撐鋼梁設(shè)置側(cè)向隅撐來(lái)保持支撐鋼梁的穩(wěn)定。通過(guò)在煤斗四周設(shè)置水平向拉壓桿限制煤斗本體在地震作用下的位移，避免因煤斗在地震作用下側(cè)移過(guò)大對(duì)給料機(jī)接口設(shè)備造成破壞。3)煤斗層鋼框架的安裝應(yīng)結(jié)合煤斗的安裝進(jìn)行，通過(guò)單向逐跨安裝的方式，可以避免因懸掛式煤斗凈尺寸大于框架尺寸所造成的無(wú)法安裝的問(wèn)題。

[1]廖翌棋，高政國(guó)，姚德康.大型火電廠煤斗懸吊結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(6)：30-32.

[2]張士煉，紀(jì)金豹，郝曉敏,等.大型火電廠煤斗懸吊減震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].電力建設(shè)，2008，30(8)：73-76.

[3]鐘金周，方偉定，余智恩，等.異型鋼煤斗荷載施加與結(jié)構(gòu)有限元分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，43(S1)：303-306.

[4]高康，張彬，肖玉橋，等.火電廠懸掛式雙錐體鋼煤斗安裝施工方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，46(S1)：302-305.

Theanalysisofmainpointabouttheconnectiondesignforsuspendingcoalhopperinsteelstructuralpowerplant

LiaoYing1HuangXiaoling2

(1.China Nuclear Industry Huawei Engineering Design and Research Co., Ltd, Nanjing 210019, China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

UsingANSYSsoftware,thispapermadewholeforcecalculationtohangingsteelscuttle,analyzedtheforcecharacteristicsofhangingsteelscuttle,andfromthehangingpointforcechange,coalscuttledisplacement,supportingbeamstabilityandcoalscuttleinstallationandotheraspects,elaboratedthekeytechnologyofhangingsteelscuttledesign,forreferenceofsimilardesign.

hangingsteelscuttle,finiteelementmodel,load,earthquakeaction

1009-6825(2016)23-0049-03

2016-06-02

廖瑩(1983- )，女，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU391

A