华润电力（锦州）有限公司660MW超超临界电站锅炉钢结构设计应用研究

于洋

【摘  要】超超临界电站锅炉作为悬吊式锅炉，具有荷载体量大、设备荷载多、管道结构复杂等特点，其构架设计也由于荷载数量与位置不规律，无法批量化采用相同截面构件，需要针对每根构件进行设计。本文通过介绍华润电力（锦州）有限公司660MW超超临界电站锅炉钢结构设计，列举了分离式柱脚、靴梁式柱脚、立柱、垂直支撑、梁等结构形式设计过程，对于大板梁这种叠合梁，分别对其截面系数、主焊缝计算、支座加劲肋计算、局部稳定计算方面进行了计算分析，希望能对重型工业钢结构设计提供参考。

【关键词】超超临界电站锅炉;钢结构设计;锅炉钢结构;分离式柱脚;靴梁式柱脚

1、660MW超超临界电站锅炉钢结构工程概况

华润电力（锦州）有限公司660MW超超临界电站锅炉构架分为锅炉和脱硝两部分，锅炉与脱硝钢结构联合整体布置。锅炉构架及脱硝构架为全钢架结构，承载体系为框架与支撑结构，结构件连接形式采用铰接，主要承载杆件之间采用扭剪型高强度螺栓连接，锅炉构架宽度为48m（B0-B48），深57.4m（H-N），高95.4m，立面布置5片桁架即H、L、N、B0、B44.6;结构高度方向共分10层，分别为6.9m、15.5m、24.2m、33.2m、44m、57.4m、67.1m、80m、85.5m、95.4m。通过水平支撑和立面框架（抗剪平面）来保证整个结构的稳定及将风荷载、地震荷载等水平载荷传递到基础，零米处共布置49根柱，分9段。建筑面积3300m，本工程按抗震设防烈度6度（0.0887g），Ⅱ类场地。

2、660MW超超临界电站锅炉钢结构设计

2.1基础负荷计算

2.1.1地震荷载计算

基本数据：地震烈度：6度（0.0887g）Ⅱ类场地土。

按《建筑抗震设计规范》（GB5001-2010）的规定，采用底部剪力法;

结构高95.4m，桁架结构C取0.488，结构自振周期

阻尼比取0.02，衰减指数

阻尼调整系数

特征周期按照取0.35，自振周期处于1倍特征周期与小于5倍特征周期之间，地震影响系数最大值取0.07

水平地震系数

结构总水平地震作用

结构总水平地震作用标准值为水平地震系数与结构总重力荷载代表值乘积。

各层水平地震作用标准值

其中

頂部附加水平地震作用标准值

2.1.2风荷载计算

根据技术协议，取最大风速V=31m/s，场地土取B类场地土

2.1.3 设备荷载汇总

根据性能、烟风道、受热面、预热器、辅机等部门提供设备荷载资料，将设备荷载分配至对应钢结构节点上，将管道荷载按照支吊形式分配至管道上方或下方平面对应节点。

2.1.4 基础负荷计算

采用staad有限元软件建模分析，计算每个柱脚各工况所受轴向压力、水平力与上拔力数值，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）组合，得出基础负荷图。

2.2柱脚设计

2.2.1 分离式柱脚

以L-B24为例，L-B24柱脚所受轴向压力为4810kN，立柱尺寸为H400×450×10×20。根据《锅炉钢结构设计规范》（GBT22395-2008）10.3.19规定，柱底板底部均布压力应小于基础混凝土抗压强度设计值，基础采用C30混凝土，抗压强度设计值为14.3N/mm，经计算混凝土面积应大于336363.6mm，选用700mm×700mm尺寸柱底板。

柱底板厚度应按照下式计算：

厚度值向上取整，取60mm。

2.2.2 靴梁式柱脚

以H-B0柱脚为例，H-B0柱脚轴向压力为22630kN，立柱尺寸为H540×740×20×90，以分离式柱脚计算，柱底板厚度应不低于169mm，施工生产难度较大，应选用靴梁式柱脚。根据《锅炉钢结构设计规范》（GBT22395-2008）10.3.15规定，柱底板底部均布压力应小于基础混凝土抗压强度设计值，基础采用C30混凝土，抗压强度设计值为14.3 N/mm，经计算混凝土面积应大于1582517.5mm，选用1500mm×1500mm尺寸柱底板。底板厚度应按照下下式计算：

式中M应取自由区域、三边支承区域、四边支承区域中弯矩最大值，即：

向上取整，柱底板厚度取90mm。

2.2.3 抗拔柱脚

以H-B24柱脚为例，H-B24柱脚上拔力为1460kN，选用Q345-B承压型高强度螺栓，螺栓强度设计值为180 N/mm，螺栓总面积应大于上拔力与螺栓强度设计值的比值81.1cm，布置4个抗拔螺栓，每个螺栓截面积应大于20.3 cm。选择M64螺栓。

每个螺栓受36.5t 拉力，利用连续梁程序进行计算，两端弯矩为211.7 t/cm，跨中最大弯矩为105.4 t/cm。两端支承端板截面模量应大于两端弯矩与两端支承端板强度设计值的比值86.7 cm，跨中支承端板截面模量应大于跨中弯矩与跨中支承端板强度设计值的比值42.2 cm，支承端板厚度选取70 mm，材质Q345-B。

肋板最大支座反力为63.5t，弯矩为825.5 t/cm，选用厚50 mm，高500 mm肋板试算可满足要求。

2.3.立柱設计

H-B0立柱尺寸为H540×740×20×90，轴向压力为22630kN，立柱长7.45m，柱顶与柱脚均为铰接，依据《钢结构设计规范》（GB50017-2017）8.1.1，轴心受力的构件的强度应按下式计算：

依据钢结构设计规范，查表得：φ取0.957，其稳定性应满足：

2.4.横梁设计

横梁1HA1长8.6m，为单向受弯杆件，在距左端点1.1m处受87kN集中力，距左端点1.55m处受40kN集中力，距左端点2m处受74kN集中力，距左端点2.75m处受40kN集中力，距左端点3.95m处受50kN集中力，距左端点4.5m处受84kN集中力。选用Q345钢材，选用I700×350×10×16截面。

根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017）7.1.1-7.1.4，正应力、剪应力、局部压应力、组合应力应按下式计算：

梁长5.486m，回转半径为70mm，长细比为梁长与回转半径比值，计算得78.4

最大弹性挠度为11.33mm 小于跨径1/500，满足规范要求。

2.5.大板梁设计

由于大板梁高度超过3.8m，根据《锅炉钢结构设计规范》（GBT22395-2008）9.2.35规定采用叠合梁形式，由梁高3500mm，上翼缘宽950mm厚70mm，下翼缘宽460mm厚26mm，腹板厚40mm工字型钢梁与梁高1800mm，上翼缘宽510mm厚26mm，下翼缘宽950mm厚70mm，腹板厚40mm工字型钢梁叠合而成，长度方向采用4段梁拼接而成。

2.5.1 大板梁截面系数

大板梁（一）梁截面面积为2146.2cm，惯性矩为32524479.7 cm，净截面模量

大板梁（二）梁截面面积为1479.2 cm，惯性矩为6347094.3 cm，净截面模量

2.5.2 大板梁主焊缝计算

大板梁最大支反力為11610kN，根据《锅炉钢结构设计规范》（GBT22395-2008）9.2.33主焊缝尺寸

2.5.3 大板梁支座加劲肋计算

大板梁腹板计算长度为1042mm，支座加劲肋宽455mm厚50mm，查表，加劲肋应力

2.5.4 大板梁局部稳定计算

需设置横向加劲肋。

第一段大板梁最大剪力为1161t，剪切应力

加劲肋间距应小于2倍梁高，取加劲肋间距2m。

第二段大板梁最大剪力为707.9t，剪应力

加劲肋间距应小于2倍梁高，取加劲肋间距3.76m。

第三段大板梁最大剪力为449t，剪切应力

加勁肋间距应小于2倍梁高，取加劲肋间距3.22m。

第四段大板梁最大剪力为181.3t，剪切应力

查表

加劲肋间距应小于2倍梁高，取加劲肋间距3.21m。

加劲肋宽应大于，考虑叠梁影响，取440mm，厚度应大于宽度的十五分之一，厚度取30mm。

2.6.整体设计

本项目采用staad有限元软件进行计算分析，结构重要性系数选择1.1，荷载组合按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定进行组合，设计使用年限50年，最大组合应力比为0.93，X向最大层间位移角为1/1593，Y向最大层间位移角为1/1044，满足规范要求。

3、结语

本文通过介绍华润660MW超超临界电站锅炉构架工程设计过程，总结出以下构件连接形式为铰接的重型工业钢结构设计要点：

1）荷载统计应根据不同荷载类型进行计算汇总;

2）普通柱脚可选用分离式柱脚，承受荷载较大的柱脚应选用靴梁式柱脚，承受上拔荷载应选用抗拔柱脚，并根据不同的柱脚形式参照规范进行设计;

3）立柱应按照轴心受力构件进行计算校核;

4）横梁应按照受弯构件进行计算校核，部分受扭构件应进行抗扭验算;

5）梁高过高的横梁应采用叠合梁形式，并对其主焊缝、支座加劲肋、局部稳定进行计算校核;

6）整体设计可采用有限元软件进行分析，并对其结构层间位移角进行校核。

（作者单位：上海同豪土木工程咨询有限公司）