段雷琳

（國核電力規(guī)劃設計研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

當前新能源發(fā)展勢頭正猛，未來能源發(fā)展的趨勢是大力發(fā)展清潔能源。雖然煤電在發(fā)電領域中的比重正在逐年下降，但我國電力行業(yè)以煤為主的特點將一直持續(xù)到2040年，從電能供應的總量上看，我國電力能源結構依然是以火電為主[1]。煙道是輸送煙氣的重要工藝設備，鍋爐和除塵器之間由前煙道連接，脫硫塔和煙囪之間則由后煙道連接。由于生產工藝復雜，煙道鋼支架的結構布置一般不規(guī)則，在實際設計過程中常常出現異?，F象。本文對煙道鋼支架的設計進行研究。

1 工程概況

根據工藝提資，該段煙道為前煙道，煙氣從鍋爐排出通過煙道進入靜電除塵器。煙道需要穿越多層支架升至支架頂層，并通過支座支承在鋼支架上，煙道及支架剖面如圖1所示。煙道支架高18.4 m，長40 m，寬18 m，該鋼支架共分為6.1 m、13.2 m、18.4 m三層，底部兩層均用于支承煙道，頂層是設備層也是檢修層，該層除了支撐出口煙道之外，還承擔了低溫省煤器等絕大部分設備的荷載。

圖1 煙道及支架剖面

2 結構布置

2.1 結構形式

煙道鋼支架結構的平面及立面布置都不規(guī)則，平面開洞多，大開洞部位往往也是工藝荷載的主要作用部位。鋼梁跨度大，結構平面剛度較弱，采用純框結構往往不能滿足結構安全要求。根據以往設計經驗，鋼支架通常采用框架-支撐結構和排架-支撐結構。

（1）框架-支撐結構：該結構為超靜定結構，梁柱為剛接，支撐與柱為鉸接。根據抗側移剛度，可分為強支撐框架和弱支撐框架[2]。

（2）排架-支撐結構：該結構為靜定結構，梁柱為鉸接，支撐與柱為鉸接，框架柱平面內計算長度系數為1。

從受力上分析，框架-支撐結構由于梁柱剛接，鋼梁跨中的彎矩和撓度都比排架-支撐結構要小，鋼梁的截面更小，但卻增加了鋼柱平面內和平面外的彎矩，導致鋼柱的截面更大。結合以往設計經驗，兩種結構形式的總體經濟造價相差不大。

從施工進度和難度上分析，框架-支撐結構的梁柱節(jié)點一般做成純焊接接頭或栓焊組合接頭，而排架-支撐結構的梁柱節(jié)點大多做成純螺栓連接。在實際施工過程中，排架-支撐結構在施工進度和難度方面都更有優(yōu)勢。

結合以上因素，考慮到該工程對施工進度要求較高，故采用排架-支撐結構體系。

此外，鋼柱與基礎的連接多為鉸接，這樣施工較為簡便，施工工期更短。但是，當水平力荷載、風荷載較大時，柱腳容易出現較大的上拔力，在進行柱腳設計時，要特別注意螺栓的抗拔驗算。

2.2 結構構件布置

首先按工藝提資合理布置柱網，然后按標高逐層布置鋼梁、鋼牛腿、鋼格柵板及鋼梯等構件。其中水平支撐的布置應使其既能傳遞該平面層的水平荷載，又能提高該平面的水平剛度。本項目的6.1 m和13.2 m層只是用來支撐煙道，沒有平臺。由于兩個煙道沿著中軸線對稱布置，荷載主要作用在2～3軸與4～5軸之間，故在3～4軸之間沿著縱向E1～E3軸布置水平支撐，6.1 m層結構布置如圖2所示。頂層18.4 m層是主要的設備層，并兼做檢修平臺層。該層荷載較大（水平力、風荷載、地震荷載），應盡量在鋼梁的側向設置水平支撐，這樣既可以有效提高整個設備層的水平剛度，又能減小鋼梁的平面外計算長度，是減小有較大荷載梁截面的有效措施。18.4 m層除了煙道出口開洞，水平支撐在鋼格柵下方打滿整個平面層，以保證在荷載作用下該層平面內同方向的水平位移相差不大。

圖2 6.1 m層結構布置

平面層布置完成后就可以進行立面布置。立面布置主要是垂直支撐的布置，合理的垂直支撐布置既能有效傳遞各層水平荷載，又能有效減小結構的總位移及層間位移。在不阻擋設備的前提下，應盡量規(guī)則均衡布置，最好將豎向支撐從上到下連續(xù)布置，避免中斷。垂直支撐一般采用中心交叉支撐、V型支撐，其與梁柱采用鉸接連接方式。本項目結合實際情況，在3～4軸交E1～E3軸以及1～6軸交E2～E3軸的位置，從上到下設置連續(xù)垂直支撐，從而與水平支撐共同作用，有效提高整體結構的剛度。

2.3 構件截面形式

結合鋼構件受力特點及以往經驗，鋼支架鋼柱一般采用H型鋼或箱型截面，鋼梁采用H型鋼或槽鋼，水平支撐可采用單角鋼或雙角鋼，垂直支撐可采用H型鋼或圓鋼管等。構件截面的形式和尺寸需根據實際桿件內力、連接節(jié)點、節(jié)間無支撐長度等因素綜合考慮。本項目E1軸鋼柱采用HW400×400型鋼，E2、E3軸鋼柱采用HW500×400型鋼。鋼梁按鉸接考慮，采用H型鋼，具體截面根據計算結果確定。水平支撐采用雙角鋼2L140×14，垂直支撐采用圓鋼管P245×12。

3 荷載取值

根據荷載種類，在MIDAS Gen軟件中定義了9種荷載工況：D——結構及各附屬構件自重，Dgz——管道及支吊架凈重，Ljh——積灰荷載，Lh——管道膨脹摩擦力，Lh1——補償器產生的盲板力，Wx——X向風荷載，Wy——Y向風荷載，Rx——X向地震力，Ry——Y向地震力，其中Rx、Ry為軟件自帶反應譜荷載工況，無須用戶額外定義，只需根據實際情況定義反應譜函數。

3.1 永久荷載

永久荷載包括結構自重、鋼格柵平臺自重、電纜橋架、鋼樓梯以及工藝提資的管道及支吊架凈重。由于模型中已經建入鋼柱、鋼梁，只需將鋼格柵自重以面荷載施加到18.4 m層上，電纜橋架、鋼樓梯自重則以線荷載施加到鋼梁上，管道及支吊架凈重由工藝提資以點荷載的形式施加在鋼梁上。

3.2 可變荷載

可變荷載包括鋼格柵平臺和鋼樓梯的活荷載、風荷載、煙道積灰荷載，以及滑動支架和導向支架由于煙道升溫（熱態(tài)）或降溫（冷態(tài)）時產生的摩擦力以及補償器產生的盲板力。各荷載按面荷載、線荷載、點荷載形式施加到結構上。

煙道支架是一種無維護結構，受風面主要是鋼構件以及設備。該項目基本風壓W0=0.4 kN/m2（50年一遇），可按受風面積折算為線荷載或點荷載施加到對應桿件上。廠家一般會提供煙道和設備風荷載，但往往會忽略其所在高度而產生的風壓高度系數的改變，因此在設計過程中需要核實。此外，頂層設備具有一定的高度，合力作用點相對于支架還存在一個力臂，通常設備受風面較大，這使得這個彎矩也較大，設計中不能忽略。

盲板力通常由工藝提供具體數值，而摩擦力一般按0.1倍豎向荷載考慮，由結構設計者計算，方向則是與管道膨脹或收縮方向相反。由于管道支座較多，摩擦力方向較難確定，需要參考固定支座來判斷相鄰管道的方向，荷載組合中需要考慮膨脹與收縮兩個方向。

3.3 偶然荷載

偶然荷載包括設備啟動、停機或事故時產生的摩擦力及內壓力等。

3.4 地震作用

該建筑抗震設防烈度為Ⅶ度，抗震等級為三級，反應譜特征周期Tg=0.65g，鋼結構阻尼比為0.05。

根據現行《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》[3]，本工程考慮了多項荷載組合，取各自的最不利組合進行設計。

4 結構分析及計算要點

采用MIDAS Gen軟件對結構進行空間整體建模，進而對鋼支架進行結構分析計算和桿件驗算，煙道鋼支架空間模型如圖3所示。按照《建筑抗震設計規(guī)范》[4]第3.4.3條對建筑“不規(guī)則性”的定義，該煙道鋼支架既為“平面不規(guī)則”又為“豎向不規(guī)則”結構。

圖3 煙道鋼支架空間模型

4.1 周期比

提取該項目的前3個振型進行分析，如表1所示。由表1數據可知，第1振型為X方向平動，第2振型Y方向平動，第3振型為扭轉。按規(guī)范要求Tt與T1的比值應小于0.85[4]，計算結果Tt/T1=0.7002/0.8288=0.845，滿足規(guī)范要求。

表1 前3個振型

4.2 位移分析

關于層間位移，《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，在多遇地震作用下，多、高層鋼結構的層間位移比限值為1/250[4]，《鍋爐鋼結構設計規(guī)范》給出的層間位移限值為1/300，頂點位移限值為1/400。為了方便計算，常將結構按無側移框架考慮柱計算長度系數，在重力、風荷載或地震荷載組合工況下，層間位移比限值為1/500。經過軟件計算，結構的樓層最大層間位移比分別為：X向1/740（第三層），Y向1/980（第三層），均滿足規(guī)范要求。

4.3 柱子和支撐的長細比

按規(guī)范要求，受壓桿件的長細比限值為1/150，受拉桿件的長細比限值為1/300[5]，設計結果均滿足規(guī)范要求。

4.4 桿件的驗算

進行結構靜力分析后，可得到每根桿件各種荷載組合下的內力值，然后進行鋼結構設計，可對各桿件進行強度、穩(wěn)定、變形的驗算。通常情況下，桿件的強度計算應力比應控制在0.9以內，這樣既經濟又安全。查看驗算結果，可知該結構最大應力比為0.773，為頂層某框架梁，此外所有桿件的穩(wěn)定性、變形均滿足設計要求。

5 結語

煙道鋼支架荷載種類多、荷載取值大、結構布置復雜而不規(guī)則，在設計過程中應當注意正確的荷載取值、合理的結構布置、熟練的軟件操作，并結合相關規(guī)范及以往設計經驗對結果進行對比驗證，方能得到可靠的計算結果。