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        華潤電力(錦州)有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究

        2019-09-10 20:31:50于洋
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

        于洋

        【摘 ?要】超超臨界電站鍋爐作為懸吊式鍋爐,具有荷載體量大、設(shè)備荷載多、管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),其構(gòu)架設(shè)計也由于荷載數(shù)量與位置不規(guī)律,無法批量化采用相同截面構(gòu)件,需要針對每根構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。本文通過介紹華潤電力(錦州)有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,列舉了分離式柱腳、靴梁式柱腳、立柱、垂直支撐、梁等結(jié)構(gòu)形式設(shè)計過程,對于大板梁這種疊合梁,分別對其截面系數(shù)、主焊縫計算、支座加勁肋計算、局部穩(wěn)定計算方面進(jìn)行了計算分析,希望能對重型工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

        【關(guān)鍵詞】超超臨界電站鍋爐;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計;鍋爐鋼結(jié)構(gòu);分離式柱腳;靴梁式柱腳

        1、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)工程概況

        華潤電力(錦州)有限公司660MW超超臨界電站鍋爐構(gòu)架分為鍋爐和脫硝兩部分,鍋爐與脫硝鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)合整體布置。鍋爐構(gòu)架及脫硝構(gòu)架為全鋼架結(jié)構(gòu),承載體系為框架與支撐結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)件連接形式采用鉸接,主要承載桿件之間采用扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接,鍋爐構(gòu)架寬度為48m(B0-B48),深57.4m(H-N),高95.4m,立面布置5片桁架即H、L、N、B0、B44.6;結(jié)構(gòu)高度方向共分10層,分別為6.9m、15.5m、24.2m、33.2m、44m、57.4m、67.1m、80m、85.5m、95.4m。通過水平支撐和立面框架(抗剪平面)來保證整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及將風(fēng)荷載、地震荷載等水平載荷傳遞到基礎(chǔ),零米處共布置49根柱,分9段。建筑面積3300m,本工程按抗震設(shè)防烈度6度(0.0887g),Ⅱ類場地。

        2、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1基礎(chǔ)負(fù)荷計算

        2.1.1地震荷載計算

        基本數(shù)據(jù):地震烈度:6度(0.0887g)Ⅱ類場地土。

        按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB5001-2010)的規(guī)定,采用底部剪力法;

        結(jié)構(gòu)高95.4m,桁架結(jié)構(gòu)C取0.488,結(jié)構(gòu)自振周期

        阻尼比取0.02,衰減指數(shù)

        阻尼調(diào)整系數(shù)

        特征周期按照取0.35,自振周期處于1倍特征周期與小于5倍特征周期之間,地震影響系數(shù)最大值取0.07

        水平地震系數(shù)

        結(jié)構(gòu)總水平地震作用

        結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為水平地震系數(shù)與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值乘積。

        各層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

        其中

        頂部附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

        2.1.2風(fēng)荷載計算

        根據(jù)技術(shù)協(xié)議,取最大風(fēng)速V=31m/s,場地土取B類場地土

        2.1.3 設(shè)備荷載匯總

        根據(jù)性能、煙風(fēng)道、受熱面、預(yù)熱器、輔機(jī)等部門提供設(shè)備荷載資料,將設(shè)備荷載分配至對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上,將管道荷載按照支吊形式分配至管道上方或下方平面對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

        2.1.4 基礎(chǔ)負(fù)荷計算

        采用staad有限元軟件建模分析,計算每個柱腳各工況所受軸向壓力、水平力與上拔力數(shù)值,按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)組合,得出基礎(chǔ)負(fù)荷圖。

        2.2柱腳設(shè)計

        2.2.1 分離式柱腳

        以L-B24為例,L-B24柱腳所受軸向壓力為4810kN,立柱尺寸為H400×450×10×20。根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBT22395-2008)10.3.19規(guī)定,柱底板底部均布壓力應(yīng)小于基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,基礎(chǔ)采用C30混凝土,抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為14.3N/mm,經(jīng)計算混凝土面積應(yīng)大于336363.6mm,選用700mm×700mm尺寸柱底板。

        柱底板厚度應(yīng)按照下式計算:

        厚度值向上取整,取60mm。

        2.2.2 靴梁式柱腳

        以H-B0柱腳為例,H-B0柱腳軸向壓力為22630kN,立柱尺寸為H540×740×20×90,以分離式柱腳計算,柱底板厚度應(yīng)不低于169mm,施工生產(chǎn)難度較大,應(yīng)選用靴梁式柱腳。根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBT22395-2008)10.3.15規(guī)定,柱底板底部均布壓力應(yīng)小于基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,基礎(chǔ)采用C30混凝土,抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為14.3 N/mm,經(jīng)計算混凝土面積應(yīng)大于1582517.5mm,選用1500mm×1500mm尺寸柱底板。底板厚度應(yīng)按照下下式計算:

        式中M應(yīng)取自由區(qū)域、三邊支承區(qū)域、四邊支承區(qū)域中彎矩最大值,即:

        向上取整,柱底板厚度取90mm。

        2.2.3 抗拔柱腳

        以H-B24柱腳為例,H-B24柱腳上拔力為1460kN,選用Q345-B承壓型高強(qiáng)度螺栓,螺栓強(qiáng)度設(shè)計值為180?N/mm,螺栓總面積應(yīng)大于上拔力與螺栓強(qiáng)度設(shè)計值的比值81.1cm,布置4個抗拔螺栓,每個螺栓截面積應(yīng)大于20.3 cm。選擇M64螺栓。

        每個螺栓受36.5t 拉力,利用連續(xù)梁程序進(jìn)行計算,兩端彎矩為211.7 t/cm,跨中最大彎矩為105.4 t/cm。兩端支承端板截面模量應(yīng)大于兩端彎矩與兩端支承端板強(qiáng)度設(shè)計值的比值86.7 cm,跨中支承端板截面模量應(yīng)大于跨中彎矩與跨中支承端板強(qiáng)度設(shè)計值的比值42.2 cm,支承端板厚度選取70?mm,材質(zhì)Q345-B。

        肋板最大支座反力為63.5t,彎矩為825.5 t/cm,選用厚50 mm,高500?mm肋板試算可滿足要求。

        2.3.立柱設(shè)計

        H-B0立柱尺寸為H540×740×20×90,軸向壓力為22630kN,立柱長7.45m,柱頂與柱腳均為鉸接,依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)8.1.1,軸心受力的構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)按下式計算:

        依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,查表得:φ取0.957,其穩(wěn)定性應(yīng)滿足:

        2.4.橫梁設(shè)計

        橫梁1HA1長8.6m,為單向受彎桿件,在距左端點(diǎn)1.1m處受87kN集中力,距左端點(diǎn)1.55m處受40kN集中力,距左端點(diǎn)2m處受74kN集中力,距左端點(diǎn)2.75m處受40kN集中力,距左端點(diǎn)3.95m處受50kN集中力,距左端點(diǎn)4.5m處受84kN集中力。選用Q345鋼材,選用I700×350×10×16截面。

        根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)7.1.1-7.1.4,正應(yīng)力、剪應(yīng)力、局部壓應(yīng)力、組合應(yīng)力應(yīng)按下式計算:

        梁長5.486m,回轉(zhuǎn)半徑為70mm,長細(xì)比為梁長與回轉(zhuǎn)半徑比值,計算得78.4

        最大彈性撓度為11.33mm 小于跨徑1/500,滿足規(guī)范要求。

        2.5.大板梁設(shè)計

        由于大板梁高度超過3.8m,根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBT22395-2008)9.2.35規(guī)定采用疊合梁形式,由梁高3500mm,上翼緣寬950mm厚70mm,下翼緣寬460mm厚26mm,腹板厚40mm工字型鋼梁與梁高1800mm,上翼緣寬510mm厚26mm,下翼緣寬950mm厚70mm,腹板厚40mm工字型鋼梁疊合而成,長度方向采用4段梁拼接而成。

        2.5.1 大板梁截面系數(shù)

        大板梁(一)梁截面面積為2146.2cm,慣性矩為32524479.7 cm,凈截面模量

        大板梁(二)梁截面面積為1479.2 cm,慣性矩為6347094.3 cm,凈截面模量

        2.5.2 大板梁主焊縫計算

        大板梁最大支反力為11610kN,根據(jù)《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBT22395-2008)9.2.33主焊縫尺寸

        2.5.3 大板梁支座加勁肋計算

        大板梁腹板計算長度為1042mm,支座加勁肋寬455mm厚50mm,查表,加勁肋應(yīng)力

        2.5.4 大板梁局部穩(wěn)定計算

        需設(shè)置橫向加勁肋。

        第一段大板梁最大剪力為1161t,剪切應(yīng)力

        加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高,取加勁肋間距2m。

        第二段大板梁最大剪力為707.9t,剪應(yīng)力

        加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高,取加勁肋間距3.76m。

        第三段大板梁最大剪力為449t,剪切應(yīng)力

        加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高,取加勁肋間距3.22m。

        第四段大板梁最大剪力為181.3t,剪切應(yīng)力

        查表

        加勁肋間距應(yīng)小于2倍梁高,取加勁肋間距3.21m。

        加勁肋寬應(yīng)大于,考慮疊梁影響,取440mm,厚度應(yīng)大于寬度的十五分之一,厚度取30mm。

        2.6.整體設(shè)計

        本項(xiàng)目采用staad有限元軟件進(jìn)行計算分析,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)選擇1.1,荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)規(guī)定進(jìn)行組合,設(shè)計使用年限50年,最大組合應(yīng)力比為0.93,X向最大層間位移角為1/1593,Y向最大層間位移角為1/1044,滿足規(guī)范要求。

        3、結(jié)語

        本文通過介紹華潤660MW超超臨界電站鍋爐構(gòu)架工程設(shè)計過程,總結(jié)出以下構(gòu)件連接形式為鉸接的重型工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn):

        1)荷載統(tǒng)計應(yīng)根據(jù)不同荷載類型進(jìn)行計算匯總;

        2)普通柱腳可選用分離式柱腳,承受荷載較大的柱腳應(yīng)選用靴梁式柱腳,承受上拔荷載應(yīng)選用抗拔柱腳,并根據(jù)不同的柱腳形式參照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計;

        3)立柱應(yīng)按照軸心受力構(gòu)件進(jìn)行計算校核;

        4)橫梁應(yīng)按照受彎構(gòu)件進(jìn)行計算校核,部分受扭構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗扭驗(yàn)算;

        5)梁高過高的橫梁應(yīng)采用疊合梁形式,并對其主焊縫、支座加勁肋、局部穩(wěn)定進(jìn)行計算校核;

        6)整體設(shè)計可采用有限元軟件進(jìn)行分析,并對其結(jié)構(gòu)層間位移角進(jìn)行校核。

        (作者單位:上海同豪土木工程咨詢有限公司)

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