悬挂式烟囱钢平台二次深化设计总结

杨宇春

（上海电力建筑工程公司，上海 200241）

1 前言

火力发电厂烟囱结构形式常采用钢内套筒式或多管式烟囱，钢内筒为排烟筒，外筒为钢筋混凝土作为主要受力结构，内筒和外筒间设置多层钢结构平台，协调内外筒的变形一致，同时承担烟囱内部检修平台的功能。目前，国内设计的钢内筒烟囱大部分采用整体自立式， 即钢内筒自立于零米基础， 为自承重结构。由于大型机组烟囱高度高达210m-240m，加上钢内筒的防腐内衬、加劲肋等，钢内筒筒壁要承受很大的竖向荷载，其属于压弯构件，存在稳定问题，导致钢内筒壁厚大，用钢量高。而悬挂式钢内筒则将钢筒分段支承于各层平台，筒身以受拉为主，避免了局部失稳，自重较自立式钢内筒小40%左右，但是悬挂式烟囱对于钢平台结构有较大变化，悬挂层钢平台主梁截面、板厚都将增大，连接节点趋于复杂，对于制作及安装带来较大的难度。 因此需要在钢平台的制作阶段合理地考虑整体平台钢梁的分段，及连接节点的策划和设计， 并需选定合适的钢平台作为安装施工平台考虑并进行结构计算校核。

图1

图2

图3

2 工程结构概况

老挝HONGSA（3×626MW）电站工程，烟囱结构形式为悬挂式钢内筒烟囱，共3 个排烟钢内筒，供三台锅炉使用。 钢内筒高250m， 直径为8.6m。 混凝土外筒高245m， 外筒底部外直径29.1m，顶部外直径23.7m。钢内筒与钢筋混凝土外筒之间共设置10 层钢平台，平台面标高分别为243m、238m、182m、126m、90m、70m、65m、40m、35m 和10.05m，238m、65m、35m 平台为钢内筒悬挂平台， 其余为止晃平台， 烟囱立面图见图1 烟囱南立面图。243m 层平台浇筑混凝土，其余平台配以楼面铺设格栅板。

平台钢梁由三根主梁成三角形布置配以中间Y 型梁，将三个圆筒分隔开，形式见图2 烟囱平面图。 主梁简支搁置在混凝土外筒筒壁上，Y 型梁与主梁采用高强螺栓连接，节点形式为铰接连接，其余次梁与主梁均为铰接连接。在悬挂层主梁与Y 型梁上设置挂支点与钢内筒相连。 其余各止晃层主梁与Y 型梁与筒身之 间 配 以 止 晃 点 连 接。 10m 层、40m 层、70m 层、90m 层、182m层、243m 层平台主梁截面规格为BH1000×400×16×40，Y 型大梁截 面规格BH700×400×12×30；238m 层 平台主 梁截面规格为BH2600×500×40×50 主梁，Y 型大梁截面规格BH2200×500×32×50；35m 层、65m 层平台主梁截面规格为BH2200×500×32×50，Y型大梁截面规格BH2000×500×30×40； 所有主梁及Y 型钢梁材质均为Q345B。

钢内筒上设置12 个悬挂点和平台连接， 其中1#、3# 钢内筒和238m 层平台、35m 层平台悬挂连接；2# 钢内筒和238m 层平台、65m 层平台悬挂连接。 1#、3# 钢内筒在标高37.2m 处设置氯化橡胶膨胀节；2# 钢内筒在标高67.2m 处设置氯化橡胶膨胀节。

3 钢平台及钢内筒安装方案简介

烟囱钢平台243m 层主梁采用整体单件安装方法，Y 型大梁采用整体拼装安装法， 其他层平台采用考虑将3 根主梁在三角形区域内与Y 型大梁及连接直接支撑采取地面组合， 整体安装方法。 所以需要将平台的3 根主梁在端部进行分段，见图3 分段组装示意图（分段节点考虑采用高强度螺栓等强连接）。

烟囱钢内筒安装采用倒装法， 动力是4 台额定荷载为100吨的液压油缸系统。 一般钢内筒提升作业平台都布置在悬挂层平台， 此次经过安装工艺考虑及实际平台结构工况将4 台油缸布置在烟囱的243m 层平台上。钢内筒膨胀节以上分成3 段。1#、3# 钢内筒第一段标高为 （37.8m-97m）， 第二段标高为 （97m-183m）， 第三段标高为 （183m-250m），2# 钢内筒第一段标高为（67.8m-97m）， 第二段标高为 （97m-183m）， 第三段标高为（183m-250m）。

钢内筒安装顺序为1# 筒→2# 筒→3# 筒。 钢内筒安装工艺：钢内筒制作时高度4m 作为一个标准节；第一个标准节上设置临时吊点，和油缸的钢绞线连接；第一个标准节提高，然后第二段标准节推入到下方，和第一个标准节进行焊接，以后依此类推；安装完成8 节，更换吊点，吊点标高约238 米；当钢内筒第一分段（183m-250m）焊接完成后，把其顶部标高提升到标高250米，然后把钢内筒和238 米层的悬挂点施工完成；更换吊点，吊点标高约182m；按第一分段的方法安装第二分段、第三分段，每个分段更换一次吊点；第四分段提升到位后，立即施工悬挂点。

4 钢平台结构及节点分析

4.1 提升施工平台结构验算

由于243m 层大梁需要作为整体烟筒提升的施工平台，需要对平台钢梁进行结构验算。 平台荷载计算考虑如下因素：

（1）钢内筒重量：根据图纸及安装方案计算，第二段的重量最大，为170 吨，分配到每点的荷载为42.5 吨。 （2）施工工装荷载：考虑有液压油缸系统、钢绞线、油缸支撑梁、各种工器具等，每点荷载为10 吨。 （3）平台楼面恒荷载：顶层平台有浇筑混凝土区域，鉴于荷载过大考虑不浇混凝土，铺设甲板，荷载按照1KN/m2。（4）施工活荷载：此部分区域施工时工人、工器具产生的施工荷载：按照2KN/m2。 （5）平台本身自重：按照钢梁截面重量乘以1.2的系数（考虑加劲板连接板等重量。 （6）提升吊笼荷载：每个支点位置荷载为2.9 吨。

依据前述各项荷载，以及施工方案中对3 个钢内筒的各种施工工况荷载，以SAP2000 结构软件建模分析得提升3# 筒时荷载最大， 荷载组合采用1.2* 钢梁自重+1.2* 压型钢板自重+1.4*钢筒3 提升荷载+1.4* 吊笼提升荷载+1.4* 施工活荷载。 提升布置见图4。

验算结果得BH1000×400×16×40 主梁应力比最大为0.92，BH700×400×12×30 主梁应力比最大为0.849。梁挠度超过最大允许挠度为1/400L。 按照设计及业主方要求应力上限控制在0.8的要求（需考虑钢梁分段截面削弱因素），以及挠度控制要求该层平台钢梁无法满足要求。 经通报设计对平台进行重新计算校核原主梁BH1000×400×16×40 改为BH1300×400×25×40，Y 形梁BH700×400×12×30 改为BH900×400×25×40。 重新核算的主梁应力比最大为0.631，Y 形梁应力比最大为0.540，验算挠度同样满足要求。

图4

4.2 平台结构连接节点分析

依据结构设计图纸及施工安装方案，烟囱各结构之间连接节点按照连接部位分为4 类8 种节点形式。 见下表1。

第一类钢内筒与钢梁连接常规的悬挂点做法是将悬挂环梁牛腿与支撑钢梁搁置焊接。依据既有经验分析表明，这种方式悬挂平台在平面外承受较大附加弯矩， 过大的弯矩会使悬挂段上部出现受压区，不利于内筒的稳定。本工程采用的悬挂连接节点更接近理想铰支座，有效释放弯矩，从而减小反力值。 具体做法为:支承钢梁上设置与悬挂环梁等高的支座短柱，将支座短柱与悬挂环梁支撑劲板采用双夹板连接板高强螺栓连接。 考虑实际制作及安装误差，悬挂环梁牛腿加劲板上开制竖向长圆孔，制作短柱上竖向加劲板上同样开制竖向长圆孔， 双夹板连接板开孔采用横向长圆孔，见悬挂点示意图5。

表1

图5

图6

钢内筒与钢梁止晃点采用常规做法，主要为在大梁侧面加设止晃牛腿连接板，工内制作止晃支座板，由钢板拼成[型，与大梁侧板螺栓连接。 钢内筒上焊制止晃牛腿成□形，同时再两侧钢板上贴聚四氟乙烯板缓冲，相应形式见止晃点示意图6。

图7

主梁与外筒简支节点做法为：混凝土筒壁上开孔做支撑平台，主梁搁置在混凝土外筒平台上，钢梁下部采用开孔加垫板简支，钢梁与预埋铁板焊接。 有关构造见图7。 该种方式可避免给外筒筒壁带来较大的局部平面外弯矩和和钢梁下局部压应力。

次梁与外筒节点做法为：混凝土筒壁上预设埋件，现场安装时焊制钢支座牛腿，然后将次梁搁置在牛腿上焊接。

各层平台主次梁之间连接节点基本采用简支铰接形式。 依据钢结构连接节点设计手册及多高层钢结构节点构造主要有以下种形式如图8。

图8

在电站结构中较常用的是①所示的节点，在次梁端部焊上角钢。这样的节点形式可以不考虑端部的附加弯矩，结构受力更加清晰，但是图1 节点通常都为90°正交连接，在斜角连接时一般采用端板替代角钢。 当角度太小时由于次梁上翼板切除过大，导致局部削弱过大时采用④所示节点方法， 计算需要考虑剪力产生的附加弯矩。 相对于铰接节点次梁剪力计算需要按照次梁腹板截面受力的一半来考虑计算。

各层钢平台主梁及Y 型大梁由于安装及制作运输考虑，需要采用分段制作，现场拼接的方式。拼接节点采用全高强螺栓拼接，等强连接计算方式，具体形式见大梁拼接节点示意。

图9

5 部分节点设计优化

5.1 钢梁分段节点优化设计方案

因平台主次梁连接部位较多，对于悬挂层大梁，由于截面太大， 采用全高强螺栓连接等强连接将导致高强螺栓连接节点区域过大，与次梁及悬挂节点等相碰撞，为此需要对于相应节点进行试算节点大小，并进行CAD 图纸1:1 模型放样，对于相碰节点采取实际受力计算，或者采用翼缘焊接，腹板高强螺栓连接等方式来避免。 经实际校核计算，238m、65m、35m 悬挂平台的主梁及Y 型大梁按等强计算均无法进行螺栓排布，与周边次梁，悬挂节点相碰。经实际选择分段节点，请设计提供相应内力进行实际内力计算。 经设计提供具体设计内力核算后，大部分拼接节点按照实际受力计算螺栓数量排布能够满足放样要求。 但仍有238米层Y 型大梁仍无法满足要求，经与现场安装单位及设计协商，将该节点改为翼缘焊接，腹板高强螺栓连接形式。

5.2 Y 型大梁铰接节点优化

相对于各层平台Y 型大梁与主梁的铰接连接节点，基本上采用前序①所示的节点，在次梁端部焊上角钢，与主梁腹板高强螺栓连接， 计算原则梁端剪力按照次梁腹板截面受力的一半来考虑。 同样的在238m、65m、35m 悬挂平台，若按照此计算原则，经过实际校核计算同样由于截面过大，实际螺栓排布无法进行，设计核算相应实际受力进行计算。 经设计提供内力后， 计算通过。

另对于243m 层Y 型大梁由于安装方案中提出Y 形大梁采用整体安装，且安装时H1300X400X25X40 主梁已经就位且无法移动， 经安装单位方案放样提出①所示的节点形式将导致Y形大梁在安装时无法顺利就位， 与H1300 大梁腹板与加劲板均相碰， 建议修改节点。 考虑节点连接方式为H900 大梁腹板与H1300 主梁加劲肋双夹板连接， 主梁加劲肋与次梁腹板高强度螺栓摩擦型连接（双剪），及前述④所示节点形式，经计算节点螺栓排布满足要求。

6 总结

在进行悬挂式内筒烟囱平台的制作深化设计时应当注意以下几个方面：（1）对于作为整体提升用的施工提升平台应当依据安装提升方案产生的荷载进行整体的结构校核， 并须经过原设计同意。 在结构校核时需要要考虑主梁由于分段截面削弱因素。（2）悬挂节点需要考虑便于施工及安装误差带来的影响。（3）主梁分段节点、 梁间连接节点采用螺栓或焊接连接的等均需进行必要的计算核算，分段方案需要考虑运输、制作等情况。（4）针对安装施工方案，可以改变部分连接节点做法以提升施工效率，但须经计算校核。 （5）针对深化图纸，有条件需要进行三维整体建模放样，可以整体考虑各部位干涉碰撞情况。

悬挂式内筒烟囱相对于自立式内筒烟囱，由于经济省料今后将会成为电厂烟囱设计方式的主流。 对于该种类型烟囱制作安装的研究，及连接节点的设计优化，有助于缩短钢内筒及钢平台的施工周期。 钢结构节点二次深化设计影响着整个工程的施工全过程和经济效益。 钢结构二次深化设计的策划不仅带来直接的经济效益和社会效益，也有利于增强我们的综合竞争力，在工程中需要好好整理并总结利用。

[1]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京，中国建筑工业出版社.

[2]汪一骏.钢结构设计手册[M].北京，中国建筑工业出版社.

[3]孙勇.老挝HONGSA（3×626MW）电站工程烟囱图纸，卷册号F480S-T0306[D]，长春，东北电力设计院.