龍吉生 文國(guó)想

（1 上海康恒環(huán)境股份有限公司 上海 201703 2 上海生活垃圾焚燒處理技術(shù)及裝備工程研究中心 上海 201703）

0 引言

2000 年至2014 年前后，是國(guó)內(nèi)流化床垃圾焚燒爐項(xiàng)目發(fā)展的高峰期。在這段時(shí)間內(nèi)，流化床爐由于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、造價(jià)投資低、低NOx 焚燒技術(shù)等優(yōu)勢(shì)［1］，迅速占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)大半的市場(chǎng)份額。截至2019 年底，國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的流化床垃圾焚燒爐有160 余臺(tái)，日處理垃圾近7.3 萬(wàn)t，為我國(guó)垃圾處理行業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)［2］。如今，在不斷變化的市場(chǎng)情況以及日益提高的環(huán)保壓力下，流化床爐型的弊端日益凸顯，面臨著環(huán)保不達(dá)標(biāo)、設(shè)備老舊、處理能力不足等眾多不利因素［3］，因而大量采用循環(huán)流化床工藝的老舊項(xiàng)目有改造為更先進(jìn)爐排爐的需求。目前針對(duì)流化床改爐排爐項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)改造研究較少，影響了此類改造項(xiàng)目的開(kāi)展和實(shí)施。本文通過(guò)對(duì)循環(huán)流化床改爐排爐項(xiàng)目中常見(jiàn)的輸煤跨的局部拆除、投料口和爐前平臺(tái)局部拆除、爐前平臺(tái)抽柱改造進(jìn)行研究，了解這些改造措施對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不利影響，為后續(xù)此類項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)改造方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，具有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

本文以某個(gè)典型循環(huán)流化床項(xiàng)目的主廠房垃圾貯坑區(qū)域結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該區(qū)域?yàn)殇摻罨炷量蚺偶?抗震墻結(jié)構(gòu)［4］。針對(duì)其在改造為爐排爐時(shí)按順序進(jìn)行的輸煤跨局部拆除、投料口和爐前平臺(tái)局部拆除、爐前平臺(tái)抽柱3 種改造措施，如圖1 所示，分別進(jìn)行空間有限元建模計(jì)算，并且與未改造前的原有結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，研究上述3 項(xiàng)改造措施對(duì)垃圾貯坑和改造區(qū)域四周框架受力的影響，以及對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)的影響。上述各結(jié)構(gòu)計(jì)算模型詳見(jiàn)表1。此外，本文雖然選取了某個(gè)具體項(xiàng)目作為研究對(duì)象，但是該項(xiàng)目主廠房垃圾貯坑區(qū)域的結(jié)構(gòu)布置在眾多循環(huán)流化床項(xiàng)目中具有比較典型的代表性，并且這3 種改造措施也是在眾多循環(huán)流化床改造項(xiàng)目中普遍采用的改造措施，因此本文的研究結(jié)果對(duì)大部分類似的改造項(xiàng)目均具有借鑒意義。

圖1 某典型循環(huán)流化床項(xiàng)目的主廠房垃圾貯坑區(qū)域局部結(jié)構(gòu)改造示意圖

表1 結(jié)構(gòu)分析模型整理表

2 結(jié)果與討論

采用YJK 軟件對(duì)上述模型分別進(jìn)行空間有限元分析，比較各模型中垃圾貯坑和改造區(qū)域周圍框架柱所承受的荷載以及結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，定性研究上述3 種改造措施對(duì)原有結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 對(duì)垃圾貯坑受力的影響

輸煤跨和爐前平臺(tái)作為垃圾貯坑的抗側(cè)力構(gòu)件，局部拆除改造時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)垃圾貯坑的受力產(chǎn)生影響。圖2 所示為上述4 個(gè)模型中垃圾貯坑靠近爐前平臺(tái)一側(cè)的池壁底部，在活荷載單工況作用下的彎矩計(jì)算結(jié)果。圖3 所示為上述4 個(gè)模型中垃圾貯坑靠近爐前平臺(tái)跨一側(cè)池壁中間部位，在活荷載單工況作用下的水平變形沿高度方向的分布情況。對(duì)比分析圖2 和圖3 中的彎矩和變形結(jié)果可知，本文研究的3 種改造措施對(duì)垃圾貯坑的受力和變形均有明顯的影響，并且改造措施實(shí)施的越多，對(duì)垃圾貯坑受力和變形的影響越大；同時(shí)各改造措施對(duì)垃圾貯坑中間部位的影響，比對(duì)靠近兩端部位的影響更大。對(duì)比圖中彎矩和變形的相對(duì)變化幅度可知，模型3 中的改造措施對(duì)垃圾貯坑受力和變形的影響更大一些，可見(jiàn)當(dāng)進(jìn)行3 種改造措施對(duì)垃圾貯坑結(jié)構(gòu)影響大小的橫向?qū)Ρ葧r(shí)，投料口和爐前平臺(tái)局部拆除改造的影響相對(duì)最大。輸煤跨及爐前平臺(tái)跨的框架和樓面對(duì)垃圾貯坑而言，均為其抗側(cè)力構(gòu)件，并且共同構(gòu)成了垃圾貯坑在爐前平臺(tái)一側(cè)的抗側(cè)力體系［5］。當(dāng)進(jìn)行上述3 種局部的拆除改造時(shí)，均會(huì)削弱抗側(cè)力體系的整體剛度，造成垃圾貯坑池壁受力和變形增大。但是相對(duì)而言，樓面因其本身的剛度較大，局部拆除時(shí)，爐前平臺(tái)的樓面被截?cái)喑刹贿B續(xù)的幾塊，其整體的水平剛度嚴(yán)重喪失，對(duì)整個(gè)抗側(cè)力體系的削弱作用非常顯著。而輸煤跨局部拆除時(shí)，雖然對(duì)整個(gè)抗側(cè)力體系也有削弱，但是仍有爐前平臺(tái)跨支撐垃圾貯坑，造成的剛度損失只占整個(gè)抗側(cè)力體系較小的一部分，因此該改造措施對(duì)垃圾貯坑池壁受力的影響相對(duì)較小。最后，當(dāng)拆除與焚燒爐沖突的爐前平臺(tái)柱及與之相連的框架梁時(shí)，整個(gè)抗側(cè)力體系雖有削弱，但是由于模型3 中已經(jīng)拆除了該區(qū)域的樓面，剩余框架的剛度相對(duì)較小，拆除后對(duì)整個(gè)抗側(cè)力體系和垃圾貯坑池壁受力的影響也相對(duì)較小。

圖2 垃圾貯坑池壁底部彎矩（My）分布示意圖

圖3 垃圾貯坑中間位置池壁水平變形分布示意圖

2.2 對(duì)改造區(qū)域周邊框架柱受力的影響

統(tǒng)計(jì)各模型分析結(jié)果中，爐前平臺(tái)和輸煤跨框架柱柱底所承受的最大荷載設(shè)計(jì)值，詳見(jiàn)表2。對(duì)比分析各模型的柱底荷載可知，上述3 種改造措施對(duì)周邊框架柱所承受的荷載均有影響。其中輸煤跨局部拆除以及投料口和爐前平臺(tái)局部拆除時(shí)，與拆除區(qū)域相鄰的框架柱KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 軸力均明顯減小。這是因?yàn)榫植繕敲娌鸪?，樓面四周框架柱所承?dān)的樓面自重和樓面豎向荷載減小，柱底軸力也相應(yīng)減小。對(duì)比KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 柱底X 向剪力和Y 向彎矩可知，當(dāng)輸煤跨局部拆除以及投料口和爐前平臺(tái)局部拆除時(shí)，柱底X 向剪力和Y 向彎矩明顯增大，并且靠近垃圾貯坑中間區(qū)域的KZ3、KZ4、KZ9 和KZ10 柱底荷載增幅比靠近垃圾貯坑兩端區(qū)域的KZ2、KZ5、KZ8 和KZ11 要大的多。分析可知，輸煤跨及爐前平臺(tái)跨的框架和樓面作為垃圾貯坑的抗側(cè)力構(gòu)件，局部拆除后造成整個(gè)抗側(cè)力體系的抗側(cè)剛度降低，在垃圾貯坑水平堆載不變的情況下，各框架柱需要承擔(dān)更大的水平荷載，造成柱底X 向剪力和Y 向彎矩增大。同時(shí)由于垃圾貯坑中間區(qū)域的水平變形相對(duì)于兩端區(qū)域更大，抗側(cè)力構(gòu)件的水平變形也相對(duì)于兩端區(qū)域更大，反映到柱底的情況就是X 向剪力和Y 向彎矩的增幅更大，這與前文分析的垃圾貯坑池壁底部彎矩的增大趨勢(shì)是一致的。并且由于投料口和爐前平臺(tái)局部拆除時(shí)，對(duì)整個(gè)抗側(cè)力體系剛度的影響相對(duì)于其余2 種改造措施更大，引起的柱底X 向剪力和Y 向彎矩的增幅也相對(duì)更大，這也與前文分析的垃圾貯坑池壁底部彎矩增大趨勢(shì)一致。總而言之，本文研究的3 種改造措施對(duì)爐前平臺(tái)和輸煤跨框架柱的受力均有影響，同一種改造措施對(duì)不同區(qū)域的柱底荷載有不同程度的影響，其中對(duì)靠近垃圾貯坑中間區(qū)域柱子的影響比靠近垃圾貯坑兩端區(qū)域柱子的影響更大；不同的改造措施對(duì)同一根柱子的受力影響也不一樣，相對(duì)而言投料口和爐前平臺(tái)局部拆除改造比另外2 種改造措施造成的影響更大。

2.3 對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)的影響

統(tǒng)計(jì)各模型計(jì)算結(jié)果，主要結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)值見(jiàn)表3。對(duì)比各模型的結(jié)構(gòu)自振周期可知，上述3 種改造措施均會(huì)影響到結(jié)構(gòu)自振周期的大小。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，單自由度結(jié)構(gòu)的自振周期可按式（1）計(jì)算［6］。

表3 各模型主要的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)值整理表

本文研究的結(jié)構(gòu)對(duì)象雖然不是單自由度，但是質(zhì)量和剛度對(duì)自振周期影響仍遵循式（1）中的規(guī)律，結(jié)構(gòu)的自振周期T與其本身的剛度K 成反比，與參與振動(dòng)的質(zhì)量m 成正比。當(dāng)拆除局部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體剛度減小，結(jié)構(gòu)的參振質(zhì)量也會(huì)減小。但是根據(jù)表3 中結(jié)構(gòu)自振周期的變化趨勢(shì)可知，從模型1 到模型4 隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施，結(jié)構(gòu)的自振周期逐漸變大，這說(shuō)明本文研究模型的參振質(zhì)量m 與結(jié)構(gòu)本身剛度K 的比值，是隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施而逐漸增大的。對(duì)比各模型的最大層間位移角和頂層最大層平均位移計(jì)算結(jié)果可知，上述3 種改造措施均會(huì)影響到結(jié)構(gòu)變形的大小。從模型1到模型4，隨著各改造措施的實(shí)施，拆除的結(jié)構(gòu)構(gòu)件越來(lái)越多，整體的結(jié)構(gòu)剛度越來(lái)越小，結(jié)構(gòu)頂層的最大層平均位移越來(lái)越大，最大層間位移角也越來(lái)越大。對(duì)比各模型底層地震剪力和底層抗剪承載力的計(jì)算結(jié)果可知，從模型1 到模型4 隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施，底層的抗剪承載力和地震剪力均隨之減小。分析可知，底層抗剪承載力降低的原因是由于底層的抗剪構(gòu)件隨著改造措施的實(shí)施變得越來(lái)越少，而底層地震剪力降低的原因在于結(jié)構(gòu)等效總重力荷載的減小和結(jié)構(gòu)剛度的降低［7］。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［8］中關(guān)于采用底部剪力法計(jì)算水平地震作用的公式見(jiàn)式（2）。

式中：Geq為整體結(jié)構(gòu)的等效總重力荷載值，包含結(jié)構(gòu)全部的自重及其所承受的豎向恒活荷載的代表值，當(dāng)結(jié)構(gòu)局部拆除時(shí)，不僅結(jié)構(gòu)自重減小，作用在所拆除結(jié)構(gòu)上的豎向恒活荷載也相應(yīng)取消，在沒(méi)有增加其他荷載的情況下，結(jié)構(gòu)的等效總重力荷載值一定是減小的；α1為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）第5.1.5 條的規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期T 在場(chǎng)地特征周期Tg的1 倍到5 倍之間時(shí)，α1值與T 值成反比。從模型1 到模型4 隨著結(jié)構(gòu)整體剛度的降低，T 值逐漸增大，α1值逐漸減小。綜合上述Geq值和α1值的變化趨勢(shì)可知，結(jié)構(gòu)底層的地震剪力Fek隨各項(xiàng)改造措施的實(shí)施而逐漸減小。

3 結(jié)論

在循環(huán)流化床改爐排爐項(xiàng)目中，輸煤跨的局部拆除、投料口和爐前平臺(tái)局部拆除、爐前平臺(tái)抽柱這3 種最常見(jiàn)的改造措施，對(duì)主廠房垃圾貯坑、改造區(qū)域附近框架的受力以及結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算指標(biāo)都有著明顯的影響，歸納有如下趨勢(shì)。

（1）3 種改造措施均會(huì)削弱垃圾貯坑的抗側(cè)承載力并增大垃圾貯坑池壁承受的荷載，并且隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施，削弱作用越來(lái)越強(qiáng)，垃圾貯坑池壁承受的荷載越來(lái)越大，其中投料口和爐前平臺(tái)局部拆除在3 種改造措施中對(duì)垃圾貯坑的抗側(cè)承載力和受力影響相對(duì)最大。

（2）3 種改造措施均會(huì)影響改造區(qū)域周圍框架的受力情況，特別是對(duì)靠近垃圾貯坑中間區(qū)域的框架柱，影響更加顯著。隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施，框架柱所承擔(dān)的X 向剪力和Y向彎矩越來(lái)越大。

（3）本文研究的3 種常見(jiàn)改造措施，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算指標(biāo)如自振周期、結(jié)構(gòu)變形、底層的抗剪承載力和地震剪力等均有明顯的影響。隨著各項(xiàng)改造措施的實(shí)施，結(jié)構(gòu)的自振周期和變形越來(lái)越大，底層的抗剪承載力和地震剪力越來(lái)越小。

（4）在進(jìn)行類似項(xiàng)目的爐前平臺(tái)改造方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)兼顧對(duì)結(jié)構(gòu)局部和整體的影響。