窑尾余热锅炉混凝土框架结构的设计

2015-12-21程刚

新世纪水泥导报 2015年4期

关键词：活荷载分析模型内力

程刚

中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京 211100

窑尾余热锅炉混凝土框架结构的设计

程刚

中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京 211100

窑尾余热锅炉一般落在混凝土框架之上，混凝土框架的标高一般在14 m～18 m之间，以上为余热锅炉，为整体设备，设备顶标高一般60 m上下。结构设计支撑设备的混凝土框架，不同的设计者有不同的结果。通过建立钢结构虚层的方式，模拟设备的实际存在形式，采用程序计算设备由于地震、风产生的柱底内力，通过程序计算得到的地震剪力图、风荷载剪力图基本与设备给定的地震荷载及风荷载值一致，说明此种计算模型比较合理。

窑尾余热锅炉结构设计计算模型地震荷载代表值

0 引言

窑尾余热锅炉作为水泥厂余热发电工程项目最重要的标志性建筑物之一，其设计的优劣直接关系到整个工程的成败与形象。目前关于此类建筑设计的文章不多，在设计过程中，设计者一般按照传统的设计思路，建立混凝土空间计算模型，将设备厂家提供的设备荷载输入混凝土空间模型进行计算分析；也有的设计者通过建立混凝土+钢的混合结构空间计算模型，采用钢结构部分直接模拟设备的自重、体型及高度等信息直接进行计算分析。不同的设计分析模型，所得出的计算结果具有巨大的差异，本文通过一个国外工程实例比较这两种计算分析模型的不同，并对分析结果进行评价。

1 工程概况及特征

1.1 工程概况

工程位于巴基斯坦，当地气象条件：极端最高温度50 ℃，极端最低温度5 ℃，结构设计抗震按照中国标准进行，抗震设防烈度为7度，地震加速度ah= 0.1 g；基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度B。本文仅讨论两种不同的计算分析模型所得结果的不同及产生原因，工程地质等其它条件不再赘述。

1.2 工程项目特征

1.2.1 结构类型

混凝土框架结构 2层，顶标高16.500 m；上部为余热锅炉，由设备厂家直接提供；余热锅炉通过4个钢柱脚立在钢筋混凝土框架梁上连接成一个整体，设备顶标高约58.600 m。

1.2.2 设计依据

现行中国国家的结构规范；设计年限：50年。

1.2.3 设计荷载

楼面恒荷载：结构自重3.75 kN /m2（混凝土楼板150厚）,楼面活荷载3.75 kN/m2，设备荷载由设备制造厂家提供，荷载通过4根钢柱传给混凝土框架的荷载数据见表1，设备厂家提供的荷载作用点定位见图1。

2 两种不同计算分析模型的比较

本工程虽为新建工程，但涉及到原有窑尾高温风机及周边原有建、构筑物的限制，框架柱及梁的布置不够合理，从图1可以发现钢筋混凝土柱与设备钢柱的重心并不重合；计算模型如果不够合理，会引起计算结果的巨大差异。下面分别就两种计算模型的计算结果进行比较。

2.1 计算分析模型一

分析模型设置-0.200、7.500、16.500三个标准层，4根钢筋混凝土柱截面1 150×1 150伸至16.500标高， -0.200、7.500平面设置框架空拉梁，拉梁截面900×1 200，16.500 m平面为钢筋混凝土框架顶标高，余热锅炉支座位于本层；设备的恒荷载、灰荷载分别按照框架梁的恒荷载、活荷载输入，设备的地震荷载、风荷载按照节点活荷载的形式在柱端按节点活荷载输入。通过PKPM、SATWEI的程序计算分析获得的柱底内力组合值（见图2）以及根据此内力值计算出柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的数值（见图3），可以看到配筋结果出奇的大，以至于在柱边缘钢筋都无法摆放。

表1 荷载通过4根钢柱传给混凝土框架的荷载数据

图1 设备厂家提供的荷载作用点定位

图2 计算分析模型一之柱底内力组合值

图3 计算分析模型一之柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的数值

2.2 计算分析模型二

分析模型除同样设置-0.200、7.500、16.500三个钢筋混凝土标准层外，另外设置钢结构标准计算层四；钢筋混凝土标准层平面布置同模型一，构件截面适当变小，柱截面改为1 000×1 000，拉梁截面改为500×1 000，16.500平面布置同模型一；利用钢结构计算标准层四的恒荷载、活荷载替代设备荷载；其中设备的恒荷载、灰荷载均匀分成8份，按照楼面的恒荷载、活荷载在钢结构标准层四中输入，设备厂家给定地震荷载、风荷载不用考虑，由计算程序自动计算；在计算模型组装时，将钢结构标准层四按层高5 m连续8层叠加，设置了一个10 m ×4.5 m×40 m的设备模拟体，由模拟体的楼面荷载计算楼层地震内力，根据模拟体的迎风面宽度、高度等指标自动计算风荷载。图4是通过PKPM、SATWEI的程序计算分析获得的柱底内力组合值，根据此内力值计算出柱底配筋量的数值（见图5），可以看到配筋结果比较正常，柱及框架梁的内力及配筋结果比较符合常识。

2.3 比较分析

上述两种计算方式，以及其产生的计算结果，到底哪种计算方式正确呢？

图4 计算分析模型二之柱底内力组合值

首先分析第一种计算模型：荷载输入时，设备传来的恒荷载、灰荷载按照梁的荷载输入没有问题，而设备的地震荷载、风荷载按照节点恒荷载或活荷载的形式在柱节点上输入，这种方式值得商榷，要知道，程序在计算框架地震剪力时，采用公式：Ve=α×Ge（地震剪力=地震水平剪力系数×地震荷载代表值），地震产生的其它内力通过地震剪力计算得到；在地震设防烈度、场地条件、结构自振周期等一致的条件下，决定框架地震内力的大小就由地震荷载代表值决定了，地震荷载代表值Ge =1.0×G恒+0.5G活。这里将设备的恒荷载按照梁的恒荷载输入没有问题，但是将设备传来的地震荷载、风荷载按照节点恒荷载或活荷载的形式输入，就会产生地震及风荷载参与到地震荷载代表值的计算中，重复计算了地震剪力，且风荷载也参与了计算，因此才会导致柱底内力出奇的大，及配筋极其不合理的现象。笔者认为如果还是按照这种方式剪力计算模型计算时，建议强制程序不进行地震及风荷载内力计算，这样也会产生较小的误差，不过此时地震内力产生的柱底弯矩偏小，这是因为人为地降低了地震荷载的作用位置。

图5 计算分析模型二之柱底配筋量的数值

计算方法二较好地模拟了设备实际存在的情况，符合实际的情况，通过建立钢结构虚层的方式，模拟设备的实际存在形式，采用程序计算设备由于地震、风产生的柱底内力，通过程序计算得到的地震剪力图、风荷载剪力图基本与设备给定的地震荷载及风荷载值一致，说明此种计算模型是比较合理的。图6分别为地震、风荷载产生的层间剪力值。