塔式炉钢结构的设计

王化坤

摘要：本文通过对塔式炉钢结构特点的介绍，针对钢结构设计中遇到的技术问题进行讨论，为今后同类项目的钢结构工程提供参考。

关键词：塔式炉钢结构；设计

1 工程概况

2×100OMW超临界机组的锅炉采用了德国ALSTOM公司的塔式锅炉技术。作为配套内容，大型塔式炉的钢结构在德方的技术支持下，大型塔式锅炉钢结构为露天布置、独立式全钢结构，包括主钢框架(含炉顶钢框架)、辅钢框架(炉前平台、炉左右两侧平台)、楼梯间和空气预热器钢框架。主钢框架和辅钢框架总占地宽度约51m，长度为40m，屋顶顶面标高约为132.000m，用钢量约为11000t。辅钢框架下部炉前平台与煤仓间共用一排立柱，减小了锅炉岛的占地面积。下部炉前平台的水平力均由主钢框架的主梁和立柱承受，煤仓间柱仅承受竖向荷载。空气预热器钢框架为相对于主钢框架独立的稳定框架结构，其分为3个部分:中心部分用于支承从炉顶吊下来的烟道，两侧部分用来支承空气预热器，其标高在0.000-39.300m。

1 设计过程中的技术难点及分析

1.1 主立柱

主立柱的材料。在设计初期，考虑全部使用Q345-B钢材。但是国内的钢材标准受到加工工艺水平的限制，厚板的容许应力随着厚度的增加相应折减。所以经初步计算，从经济性和可行性方面反复推敲，最后在0.000-50.000m的标高段主立柱及其他关键部位采用了国产A572-Gr50钢板，主立柱板厚为50mm。

从吊机的起吊能力和经济性出发，经过多次优化和比对，限制了板厚规格。A572板材选用规格种类主要控制在50、70、100mm等几种，降低了制造、运输、安装的成本难度。

1.2 主立柱截面的选取

主立柱需要承受非常大的荷载，其截面的选取对主钢框架的设计至关重要。根据最终的整体结构分析结果，主立柱基本荷载约为:静载63kN、活载24kN、风载43kN和地震荷载28kN，因此实际选取最不利工况下的荷载组合为112.6kN。每根立柱均需要受到X向和Y向的弯矩，且两个方向的内力组合基本相同。这一特性决定了立柱的截面特性需要X向和Y向的惯性矩及抗弯模量基本相同，正方形的箱形柱完全符合这一要求。

为保证足够的惯性矩和抗弯模量，并将板厚控制在合理的范围内，决定采用2500mm×2500mm的截面。由于构件最长的计算长度约30m，初步校核构件强度和整体稳定性可满足验算要求。但4块腹板的局部稳定性无法通过验算，必须设置纵向加劲肋。

1.3 柱脚的设计

本工程每个主钢框架柱脚均采用8根M68地脚螺栓。每组地脚螺栓套管用角钢和槽钢焊接构成框架组合。该框架可以在工厂内组合完毕，以保证每组套筒之间相对位置的准确，有利于避免在混凝土浇筑过程中发生位置偏移。地脚螺栓框架的顶标高在地脚螺栓套管盖板顶部(0.010m)。混凝土浇筑顶标高为±0.000，即地脚螺栓套管的盖板应高出混凝土上表面10mm。地脚螺栓保护套管的3mm厚盖板焊在套管上部，避免套管内进人污渍和积水。安装公司在吊装柱脚前，先切割掉保护套管的盖板，然后插人地脚螺栓开始安装柱脚。

该形式地脚螺栓完全满足了施工便利性和定位的精确度。最为重要的优点是，采用该形式后，大大增加了螺栓与基础混凝土之间的锚固表面积，因为在套筒内最终灌注高质量的灌浆料，保证了螺栓和套筒之间的可靠锚固，可以看作套筒与螺栓形成一体再锚固于基础混凝土内。这一点是预埋螺栓达不到的，从而减小了地脚螺栓的长度。

1.4 柱底板

柱底板调平垫板的设计。本工程的柱脚设计为刚性连接，因此柱底板在工厂内与主立柱焊接后出厂。吊装时单件重量超过了80kN，如何调平柱底板成为技术难题。常规柱底板侧安装调平螺栓的方案不可行，使用锲块调节无法保证调整的有效性，因此采用了在柱底板下安装调平垫板的方案。

调平垫板分为两部分，下调平垫板安装在混凝土基础上表面60mm深的预留孔内。下调平垫板采用3个调平螺栓与基础留孔底面牢固接触。在调平垫板就位并调平后用灌浆料灌浆固定，并应保证灌浆后位置不会发生变化。在柱脚吊装前，调平垫板下的灌浆至少完成7d的养护期。上调平垫板在工厂内焊接到柱底板下，对应于下调平垫板的位置。上下调平垫板的接触面均需要铣平。

2 主梁和主料撑

2.1 主斜撑连接节点的设计

原设计中，主斜撑与梁柱之间的连接板采用一端与斜撑或梁柱焊接，另一端螺栓连接。这样必须确保构件吊装时有100%的螺栓孔穿孔率。若出现较大的偏差，则整个螺栓孔群都无法穿孔。超长的箱形截面构件要求就位后误差在lmm左右，目前的工艺水平的确无法保证。对此，解决方法是全部构件出厂前进行预拼装。

为确保不进行预拼装情况下的斜撑节点板达到100%穿孔率，决定将原计划现场焊接一端的节点板改为全螺栓连接。在出厂时连接板一侧的螺栓孔先不钻，梁柱上预定位置的螺栓孔钻好。当斜撑吊装就位后，斜撑上端的螺栓全部拧紧，斜撑下部用挡块将其定位。此时吊机可以松钩。然后斜撑下端的节点板就位，现场在节点板上定位螺栓孔。节点板送回加工厂按照现场放样的位置钻孔，之后第二次吊装就位用高强螺栓固定。由于各方的紧密配合，最多增加2d时间就可以完成斜撑的安装，并且达到了节省预拼装、优良的穿孔率和避免现场焊接的目的，也没有过多地增加吊机占用时间。

2.2 关键斜撑的考虑

190m标高处，支撑于梁下的两个斜撑间距是两个大板梁之间的间距，这样的设置是为了更好地传力。由于斜撑长度比较长，截面比较大，故在节点设计时考虑分3段连接。中间的直段与柱子和梁采用法兰面连接，既可以保证安装的准确性，也降低了杆件起吊的难度。另外，主钢框架的斜撑吊耳在斜撑就位状态下，将其设置在斜撑的重心垂线上，这样斜撑可以更好地安装就位。

2.3 主梁抗震结构的考虑

抗震设防烈度在8度或者8度以上时，高层钢结构框架体系可采用中心支撑或偏心支撑，宜采用偏心支撑框架体系。偏心支撑框架充分利用支撑与梁交点间形成的耗能梁段在大震作用下产生的剪切或者弯曲屈服，保证支撑的稳定，提高结构的延性。与中心支撑框架相比，偏心支撑框架具有更好的耗能性能。

本工程支撑与梁采用刚接，耗能梁段的长度对偏心支撑受力性能的影响很大，采用较小的耗能梁段长度有利于结构的耗能和承载力的提高。

2.4 炉顶钢框架的设计思路

由于所有荷载都悬吊在炉顶钢框架上，荷载重、跨度大，所以把大板梁向内移到主钢框架的梁上，这样次梁的跨度减小后就有效降低了用钢量。

2.５ 板梁的计算

整个梁安装就位后对整个板梁的计算。考虑静载和风载的计算:在主钢框架和大板梁中间设支撑结构是为了保证板梁的稳定，所以做完板梁的总体计算后，必须对板梁的支撑结构进行计算，并且主要考虑风载的影响。

吊装板梁下部时的计算。板梁下部长31.5m，考虑荷载为板梁所受静荷载并增加20%的安全余量。

吊装板梁上部时的计算。板梁上部长31.5m，考虑荷载为板梁所受静荷载并增加20%的安全余量。

3 结论

塔式炉钢结构的结构分离特性较为突出，在设计初期应集中精力于主钢框架，以缩短整体工期。在明确了各部分钢结构的接口之后，可以实现多人分段式设计。这对于塔式炉钢结构设计工作具有一定的借鉴意义。但在以后的同类工程中还应加强结构优化设计，使塔式炉钢结构更加适应中国本土化的要求。