火力厂钢结构厂房中悬挂式钢煤斗连接设计要点

廖　莹　黄小玲

(1.中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京　210019；　2.江苏省电力设计院，江苏 南京　211102)



火力厂钢结构厂房中悬挂式钢煤斗连接设计要点

廖莹1黄小玲2

(1.中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京210019；2.江苏省电力设计院，江苏 南京211102)

利用ANSYS软件，对悬挂式煤斗进行了整体受力计算，分析了悬挂连接点的受力特性，并从悬挂点受力变化、煤斗位移、支撑钢梁稳定以及煤斗安装等方面，阐述了悬挂式钢煤斗设计的关键技术，以供同类设计参考。

悬挂式钢煤斗，有限元模型，荷载，地震作用

钢煤斗是火力发电厂重要特种结构之一，根据外立面形式分为方锥斗和圆锥斗。方锥斗优点在于其较高的空间利用率，常用于主厂房布置紧凑的中小型规模发电厂。与圆锥斗相比，方锥斗的设计更容易受到储料荷载的影响，其壁板承受较大的平面外弯矩和变形，往往在壁板上布置较多的水平和竖向加劲肋。根据与主厂房主体结构连接方式的不同，煤斗可分为支撑式和悬挂式两种结构形式，其中支撑式又分为上支撑、下支撑。对支撑式煤斗而言，需在主厂房特定高度位置设置煤斗支撑楼层，而悬挂式煤斗则只需在输煤皮带层设置相应的悬挂点，相比支撑式煤斗省去了支撑层，结构布置上更加紧凑、经济。本文以菲律宾某25MW煤机的钢煤斗设计为背景，对悬挂式方锥斗与主厂房主体结构连接设计中遇到的问题展开探讨，并找出合理的问题解决方案。

1　工程背景

菲律宾PPEI20MW热电厂位于菲律宾南部棉兰老岛的伊利甘市，主厂房由汽机房、除氧煤仓间组成，为框架—中心支撑钢结构，纵向长38m，横向宽29.2m，屋顶最大高度39m。抗震设防烈度为9度(0.4g)，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35s，框架抗震等级为二级。

该工程位于山地边坡区域，场地空间狭小，主厂房布置非常紧凑，采用方锥形—悬挂式煤斗以充分利用主厂房空间满足机务专业储煤量要求。另外考虑到本工程设防烈度为9度，煤斗采用悬挂式方案能在一定程度上减轻地震作用力、改善结构抗震性能[1]。布置方案如图1，图2所示，煤斗布置在～Ⓒ跨间，共2个，单个有效容积200m3，煤斗悬挂于28.20m输煤皮带层框架钢梁及楼板钢梁下。煤斗顶部垂直段大小为6.0m×6.0m，长3.5m，板厚为12mm，锥段出料口大小为1.2m×0.5m，长7.7m，板厚为12mm。煤斗壁布置水平加劲肋以约束煤斗侧向

变形，肋采用标准截面角钢。

2　煤斗有限元计算

2.1计算模型

采用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，对煤斗在储料荷载作用下的应力及变形进行计算分析，并获取各悬吊点的荷载。

有限元模型：煤斗壁板采用Shell181单元，加劲肋及裙梁采用Beam189单元，材料为Q235B。

储料荷载：原煤密度9kN/m3,内摩擦角30°，储料压力按《钢筋混凝土筒仓设计规范》中的浅仓计算，并转化成壁板Shell单元的节点水平荷载及竖向荷载。

约束：煤斗每侧边设置5个悬挂点，约束形式为固结。

荷载工况：1.2煤斗自重+1.3储料荷载。

2.2计算结果

计算模型网格及计算结果如图3～图5所示,壁板最大应力出现裙梁位置，为76.57MPa，加劲肋最大应力出现在裙梁往下第三排加劲拐角位置，为201.27MPa，且该点为应力集中点，应力集中可通过添加内弧板予以消除。

2.3悬挂点荷载分析

悬挂点布置如图6所示，提取各悬挂点荷载如表1所示，在自重及储料荷载作用下，煤斗悬挂点的荷载作用形式简单。直壁段水平肋设置合理，有效地约束了煤斗壁在储料荷载作用下的侧向变形，进而大大减小了悬挂点对框架钢梁的水平作用力。

表1　单斗悬挂点荷载表kN

3　悬挂节点设计关键问题

3.1煤斗在地震作用下的响应

地震作用下，煤斗的水平向运动将对支撑钢梁下翼缘产生水平推力，对钢梁的平面外受力以及下翼缘局部稳定造成不利影响。受限于问题的复杂性，无法准确计算煤斗在地震作用下对支撑梁的荷载，但显然上述问题无法忽视，需采取可靠的措施避免上述问题。

如图7所示，地震力F1作用在煤斗梁下翼缘，通过在楼板钢次梁与煤斗梁之间布置隅撑将地震力F1传递至楼板钢次梁，并最终通过抗剪键传递至混凝土楼板。 如图8所示，在煤斗裙梁位置布置水平支撑，并将支撑直接与框架柱连接。

3.2悬挂点与柱间交叉支撑相碰处理

煤斗区域荷载集中，需在两煤斗间布置柱间交叉支撑以避免地震作用下局部水平变位过大。由于煤斗竖壁设置水平加劲肋及裙梁，两斗间必须预留足够的宽度以避让柱间支撑，且需预留足够的悬挂节点安装空间。

如图9所示，边悬挂节点采用常规的布置方案，煤斗壁中心与煤斗支撑梁中心对齐以尽可能减少因荷载偏心引起的附加扭矩。如图10所示，中悬挂节点处支撑钢梁的下翼缘加宽、节点贴翼缘边布置以空出支撑空间，同时支撑的拼接高强螺栓螺母布置在支撑内侧以减少悬挂节点的偏心。

3.3煤斗安装

悬挂式煤斗在提高主厂房的储煤空间利用率的同时，对煤斗的安装提出了更高要求。如图1，图2所示，煤斗壁上口的净尺寸大于支撑钢梁的净距，也大于框架柱间的净距，导致在煤斗安装就位前煤斗区域的支撑钢梁、钢柱不能安装，对钢结构施工安装提出了更高的要求。因此悬挂节点方案需为安装提供方便，同时煤斗的安装施工必须结合钢框架的安装施工进行统一考虑，以便制定合理的安装工序。鉴于此，本文提出如下节点方案并设计了完整的煤斗安装工序，能完全解决煤斗及钢结构安装工序问题。

节点方案：如图9所示，煤斗悬挂点均采用螺栓连接，并将螺母布置在支撑梁翼缘上方以便螺母拧紧。安装前，可采用点焊方式将螺栓固定在节点板上，以防螺栓掉落。

煤斗安装工序如图10所示：步骤1：煤斗层钢梁、钢柱先安装轴①～轴③钢框架。步骤2：轴③框架安装施工完毕后，吊装左边煤斗安装就位。步骤3：安装轴④框架及柱间支撑，以及左边煤斗的支撑梁。步骤4：完成左边煤斗与钢框架的连接节点，由于采用全螺栓连接，节点安装可在较快速度内完成。步骤5：吊装轴④右边的煤斗安装就位。步骤6：安装轴⑤框架，以及右边煤斗的支撑梁。步骤7：完成右边煤斗与钢框架的连接节点。

4　结语

采用悬挂式钢煤斗能有效解决小型发电厂在主厂房体积有限的情况下的储煤量不足的问题。本文通过对伊利甘1×20MW燃煤电厂悬挂式煤斗的整体计算分析、连接节点设计以及煤斗安装工序的设计，可以得出如下结论：1)合理的设置水平向加劲肋，可有效控制煤斗竖壁在储料荷载下的侧向变位，大幅度减少煤斗正常使用时对支撑钢梁的水平作用力，悬挂式节点以承受竖向力为主。2)煤斗在地震作用下对支撑钢梁的水平荷载不能忽略，但存在难以量化的困难。设计上可以通过采用必要的构造措施，对支撑钢梁设置侧向隅撑来保持支撑钢梁的稳定。通过在煤斗四周设置水平向拉压杆限制煤斗本体在地震作用下的位移，避免因煤斗在地震作用下侧移过大对给料机接口设备造成破坏。3)煤斗层钢框架的安装应结合煤斗的安装进行，通过单向逐跨安装的方式，可以避免因悬挂式煤斗净尺寸大于框架尺寸所造成的无法安装的问题。

[1]廖翌棋，高政国，姚德康.大型火电厂煤斗悬吊结构抗震性能研究[J].建筑结构，2008，38(6)：30-32.

[2]张士炼，纪金豹，郝晓敏,等.大型火电厂煤斗悬吊减震结构振动台试验研究[J].电力建设，2008，30(8)：73-76.

[3]钟金周，方伟定，余智恩，等.异型钢煤斗荷载施加与结构有限元分析[J].武汉大学学报(工学版)，2010，43(S1)：303-306.

[4]高康，张彬，肖玉桥，等.火电厂悬挂式双锥体钢煤斗安装施工方法[J].武汉大学学报(工学版)，2013，46(S1)：302-305.

Theanalysisofmainpointabouttheconnectiondesignforsuspendingcoalhopperinsteelstructuralpowerplant

LiaoYing1HuangXiaoling2

(1.China Nuclear Industry Huawei Engineering Design and Research Co., Ltd, Nanjing 210019, China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

UsingANSYSsoftware,thispapermadewholeforcecalculationtohangingsteelscuttle,analyzedtheforcecharacteristicsofhangingsteelscuttle,andfromthehangingpointforcechange,coalscuttledisplacement,supportingbeamstabilityandcoalscuttleinstallationandotheraspects,elaboratedthekeytechnologyofhangingsteelscuttledesign,forreferenceofsimilardesign.

hangingsteelscuttle,finiteelementmodel,load,earthquakeaction

1009-6825(2016)23-0049-03

2016-06-02

廖莹(1983- )，女，硕士，工程师，一级注册结构工程师

TU391

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