火力发电厂输煤栈桥设计简述

2021-03-16冯颖

科技创新导报 2021年28期

摘要：输煤栈桥是火力发电厂重要的建筑物，其形式一般为钢筋混凝土柱或钢柱支撑起钢结构连续桁架上部结构，栈桥内部布置有输煤皮带机、检修通道、电缆桥架等。输煤栈桥的柱位布置需要考虑周边建构筑物的布置、地下管线的排布，同时兼顾经济性的跨度。输煤栈桥的建模计算通常需要借助有限元软件完成，需满足强度、挠度的要求，同时兼顾美观和经济性。

关键词：火力发电厂输煤栈桥结构布置有限元方法

Abstract： Coal conveying trestle is an important building in thermal power plant. Its form is generally reinforced concrete column or steel column to support the continuous truss superstructure of steel structure. The inside of the trestle is equipped with coal conveying belt conveyor， maintenance channel， cable bridge， etc. For the column layout of coal conveying trestle， surrounding buildings and structures， underground pipelines and the economic span shall be considered. The modeling calculation of coal conveying trestle usually needs to be completed with the help of finite element software， which should meet the requirements of strength and deflection as well as aesthetics and economy.

Key Words： Thermal power plant; Coal conveying trestle; Structural layout; Finite element method

1概述

输煤栈桥作为发电厂的“血管”，串起煤场、转运站和主厂房煤仓间，为汽轮发电机提供原料保证。输煤栈桥形式一般为钢筋混凝土柱或钢柱支撑起钢结构连续桁架上部结构，栈桥内部布置有输煤皮带机、检修通道、电缆桥架等[1-3]。栈桥按功能需求分为封闭式和敞开式;按输煤量的大小可布置单条或多条输煤皮带机，由于皮带机的限制，输煤栈桥的倾斜角度通常为0°～16°，当倾斜角度大于10°时，检修通道需设置踏步供检修使用。

2结构布置

2.1柱位布置

输煤栈桥柱的布置和栈桥间距的确定，需结合总平面布置图，充分考虑道路、周围建（构）筑物的基础、地下管线、零米设备、雨水管和雨水井，避免发生碰撞。要结合周围建筑物开门的位置，注意避让，栈桥柱与门保证有1m以上的净距。跨道路、铁路处的栈桥需满足各个维度的净空要求，一般来说，栈桥桁架底距离道路净空需大于5m，距铁路净空需大于6.6m[4];栈桥柱距道路路肩的净距需大于1m，距铁路中心线净距需大于4.5m。

2.2结构选型

首先需根据工艺专业要求，确定采用露天栈桥还是封闭栈桥。对低矮且跨度不大的输煤栈桥，栈桥桥身及下部柱子宜采用钢筋混凝土柱;当跨度超过18m时，栈桥桥身结构宜采用钢桁架结构，下部柱子可采用现浇钢筋混凝土柱或钢柱。

输煤栈桥的设计在满足结构安全性的前提下，应兼顾美观性，尤其是连接煤仓间的输煤栈桥，高度通常比较高，宜采用大跨度栈桥及钢管柱或格构式钢柱。

2.3上部结构布置

由于钢筋混凝土桥身的输煤栈桥通常应用于跨度较小的情况，因而此处的上部结构仅讨论钢桁架桥身的结构。在上部结构布置时，净空高度主要受皮带机运行、电缆桥架布置等因素限制;超大跨度栈桥（通常指跨度大于30m）的钢桁架高度由跨高比经计算确定。采用钢筋混凝土柱且上部钢桁架与柱铰接时，地上封闭栈桥的伸缩缝间距不宜超过130m，露天栈桥的伸缩缝间距不宜超过100m;输煤栈桥采用钢柱时，地上封闭栈桥的伸缩缝间距不宜超过150m，露天栈桥的伸缩缝间距不宜超过120m;地下运煤廊道伸缩缝间距不宜超过30m。

栈桥钢桁架沿纵向两端支座处设置门式刚架，其梁柱按照刚性节点设计。栈桥沿纵向宜设置刚性跨，刚性跨柱距一般定为6～7m为宜。

栈桥钢桁架的屋面沿纵向全长设置上弦水平支撑;对于采用压型做底模的钢筋混凝土桥面板，当栈桥跨度<24m时可不设置下弦水平支撑，当栈桥跨度≥24m时需在桁架两端设置下弦水平支撑。但在楼面混凝土强度未达到时需采取措施保证栈桥楼面结构的侧向稳定。

输煤栈桥钢桁架的上下弦杆宜采用热轧H型钢，腹杆宜采用方钢管、圆钢管或者双角钢，力求轻巧美观，施工方便。露天栈桥的钢桁架形式宜采用倒三角管桁架。

输煤栈桥的钢筋混凝土柱截面高度可取H/25～H/20（H为基础顶面至栈桥钢桁架支座底的距离）;栈桥钢筋混凝土柱间横梁间距宜取8～10m，横梁要均分栈桥柱高度。

2.4其他注意事项

（1）输煤栈桥与相邻建筑物之间应按照《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012第11.8.1條设置抗震缝。

（2）输煤栈桥长度超过150m时应设置安全疏散楼梯，安全疏散楼梯宜布置在刚性跨位置处。

（3）输煤栈桥两端与相邻建筑连接处，可采用悬臂结构与相邻建筑完全分开或设置成滑动支座;输煤栈桥中间支座设置为铰支座。

（4）材料类型的选用上，强度控制的构件尽量采用Q355钢材，可减小构件截面;非强度控制的构件如水平支撑等构件采用Q235钢材。

（5）栈桥桥面板上所有开孔四周需设挡水沿，钢桁架栈桥桥面板沿两侧纵向需通长设1m高防水反沿。

（6）封闭式运煤栈桥火灾危险性为丙类，耐火等级为二级，当未设置自动灭火系统时，其钢结构应采取防火保护措施[5]。

3主要设计步骤

3.1设计需使用的规范

《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《钢结构设计标准》（GB50017-2017）、《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL5022-2012）。

3.2设计需要的接口资料

（1）输煤栈桥总图布置。

（2）皮带机布置及支腿荷载。

（3）建筑布置图。

（4）电缆桥架布置及荷载提资。

（5）岩土工程勘察报告。

（6）其他放置在栈桥内部的如排水、消防设备布置及荷载等。

3.3主要设计参数

3.3.1载类型

（1）恒载（DL）：主要包括柱、梁、桁架、楼板等结构自重。

当栈桥倾斜角度大于10°，楼板自重需考虑踏步，踏步高度通常为100～130mm。

（2）活载（LL）：主要包括屋面活载（RL）、桥面活载（LL）和皮带机或其他设备荷载等（QL）。

屋面活载按上人与不上人，分别取2kN/m2或0.7kN/m2。

桥面活载在计算钢桁架及栈桥混凝土柱时，在明确了皮带机支腿力并如实加载后，可按2kN/m2考虑（仅走道范围），在计算桥面板及桥面次梁时按4kN/m2考虑。

根据《火电厂和核电厂常规岛主厂房荷载设计技术规程》DL/T5095-2013第4.4.3条，输煤栈桥上运输皮带机支腿力需考虑动力系数1.25且此荷载作用方向是垂直栈桥面的。

（3）风荷载（WL）按X和Y的正负向分别表示为WLX+，WLX-，WLY+，WLY-。

（4）地震作用（EQ）按X和Y向分别表示为EX，EY。

3.3.2载组合

（1）基本组合。

1.3/1.0DL+1.5（QL+LL+RL）

1.3/1.0DL+1.5WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.3/1.0DL +1.5*0.7（QL+LL）+1.5 WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.3DL+1.5（QL+LL）+1.5*0.6 WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.2（DL+ QL+0.5LL）+1.3EX/EY

1.0（DL+ QL+0.5LL）+1.3EX/EY

（2）标准组合。

1.0DL+1.0（QL+LL+RL）

1.0DL+1.0WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.0DL+1.0QL+1.0LL+0.6 WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.0DL+1.0QL+0.5LL+1.0 WLX+/ WLX-/ WLY+/ WLY-

1.0（DL+ QL+0.5LL）+1.0EX/EY

3.4建模计算

输煤栈桥建模通常使用有限元软件，如SAP2000、Midas等，有些结构设计软件如PKPM和YJK不方便对这种有倾斜梁的结构建模。无论用哪种软件，都推荐在AutoCAD中三维建模，生成DXF文件后导入有限元软件中的方法[6]。用AutoCAD三维建模时，将桁架、水平支撑、横梁、柱等不同杆件按类型分层，导入到有限元软件中时导入一层，同时分组，这样后期在有限元软件中调整时可以分组调整，节省时间。

3.4.1构构件的简化

（1）钢桁架端跨的门式钢架，横梁与钢柱、屋面梁与钢柱间均为刚接。

（2）钢桁架中间跨横梁与钢柱、屋面梁与钢柱、桁架上下弦与钢柱均为铰接;桁架腹杆与上下弦为铰接;桁架钢柱柱底与混凝土柱头铰接。

（3）栈桥柱的计算长度系数应按垂直和平行栈桥两个方向分别计算。计算长度的取值按照《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012第7.2.4条规定。

（4）输煤栈桥一般按无侧移结构计算。

3.4.2计算结果

（1）模态分析结构判断。

第一二振型盡量是平动，第三振型是扭转，但输煤栈桥过长的时候有时候不会出现理想的模态，但应注意前几阶都是整体的模态，否则应该加强局部震动部分的刚度。振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数，即计算结果中质量参与系数要达到90%以上。

（2）配筋或应力比控制。

混凝土柱在满足强度和抗震构造的前提下，配筋率推荐控制在1.5%～2%;钢桁架中构件在满足了稳定前提下应力可以控制在0.95以内，但是为了钢结构采购和加工便利，杆件截面类型不宜太多，还应考虑桁架刚度、位移等其他因素，应力比并不是选用杆件的唯一指标，应综合考虑各方面因素。

（3）变形要求。

①根据《钢结构设计标准》附录B.1.1钢桁架允许挠度为永久荷载和可变荷载标准值下为L0/400（L0为构件的计算跨度）。