钢铁业某锅炉钢结构的设计及思考

郭中伟

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

镍铁合金余热锅炉用于回收镍铁冶炼电炉产生的烟气余热来发电。2012年初，杭锅集团为广东某公司设计60MVA的镍铁合金矿热余热锅炉。锅炉室外露天布置，自然水循环方式，整体采用单锅筒3换热回程、膜式壁、全自然循环形式。

1 钢架设计、布置原则

（1）本锅炉在结构方面，过热器和蒸发器由吊挂管吊挂，省煤器由通风梁支撑，即前吊后支的形式，这点跟一般的余热锅炉有较大区别。故锅炉前半部分主要的荷载都作用在顶部梁上，后半部分的荷载通过通风梁支到框架梁上。锅炉钢架安装场地类别为Ⅱ类，地震设防烈度7度，基本风压0.7kN/m²，雪荷载较小可忽略，其余各工况荷载按工艺人员提资。根据以上特点初步确定这台锅炉钢架的结构形式。

（2）考虑到锅炉重量很大，一部分作用在标高19.4m，且考虑7度地震及风压较大，此处除顶部梁采用较大截面外，梁下方均布置垂直支撑，以减小主梁的截面，且可以大大降低水平荷载对框架的位移影响。此处的钢架主要考量指标为层间位移角及梁竖向和水平挠度。

（3）由于本钢架在左起第二排柱子的下部无垂直支撑来抵挡水平力对柱子的影响，故采用在19.4m下方沿高度方向连续三层均布置水平支撑，利用水平撑杆与梁形成的刚性支撑来增加此排柱子的侧向刚度以减少立柱面外计算长度，保持结构稳定。

（4）考虑到顶层锅筒的重量及悬吊杆所传递的过热器及蒸发器热面的重量，顶部及第二层梁采用较大截面，并且这两层梁下部中间位置均布置人字撑，这样既减小了梁的截面又可抵抗地震及风所产生的水平作用。使锅炉26.4m处的顶部位移不超过水平位移上限。其余梁只做连接不用承担较大竖向力，故下方的垂直支撑为华伦式，仅抵抗水平力即可，斜撑长细比限值也可适当放宽。

（5）尾部热面采用通风梁结构(箱型梁，端部设导管，热空气可从梁内流出)，省煤器的重量通过悬吊的通风梁传递到相应的梁上，梁下方均有垂直支撑以抵抗水平力。按框架支撑结构设计，以减少立柱平面外的计算长度，受力明确，传力直接均匀对称。

（6）左起第3排柱子既承受左侧过热器、蒸发器重量又要承受右侧省煤器的重量，累积到底部应力过大，在柱子上部布置垂直支撑时考虑让支撑往两边柱子传力，使此排柱子底部应力降下来。这些垂直支撑既起到抵挡水平力作用又能把柱子上过大的力转移到旁边的柱子上去，不用增大此排柱子的截面，一举两得，使柱子的截面尺寸更加合理。

（7）该支架荷载较大，钢柱脚要求刚接，基础考虑为埋入式连接，此时基础部分的设计应依据厂家提供的柱底力各标准工况自行组合设计基础，并布置好预埋件。

2 钢架的设计和计算过程

2.1 荷载的统计及作用位置

按照《锅炉钢结构设计规范》要求，锅炉荷载统计为6900kN，包括热面重量、水、保温、积灰等，由于平台活载较小也含在总重内。荷载按照锅炉结构布置作用在相应的点上。

2.2 地震力的计算

水平地震力的计算依据阵型分解反应谱法进行计算。项目设防烈度7度，地震加速度值0.15g，分组为第一组，场地类别II类。依据前面参数，特征周期值取0.35s。锅炉结构基本自振周期可按《锅炉钢结构设计规范》7.3.11条近似公式计算，也可在有限元软件中建模模拟。根据地震影响曲线，求底部地震作用FEK过程如下：

αmax—水平地震影响系数最大值。

Tg—特征周期。

T—自振周期。

G—结构重力荷载代表值。

α—地震影响系数。

依据上述公式得出支架的反应谱曲线。各层水平地震作用标准值和顶部附加水平地震作用标准值按高度与重量相应分配到各层。由于本锅炉结构较为特殊，地震影响系数应分两部分计算：炉前部分，主要荷载为吊挂荷载，此时考虑地震工况下，热面会有一定的位移，可适当减小该部分地震影响系数；而炉后部分为常规结构按一般公式即可。

2.3 风荷载的计算

（1）风荷载按下列公式进行计算（见建筑结构荷载规范）。

WK=βzμsμzWo WK—风荷载标准值

Bz—Z高度处的风振系数 μs—风荷载的体型系数

μz—风压高度变化系数 Wo—基本风压

根据每层对应的受风面积把风载分配到每层相应节点。本项目风荷载较大，故需考虑锅炉自重对风荷载的有利影响，依《建筑结构荷载规范》3.2.4条基本组合时增加一项组合：结合锅炉行业特点永久荷载组合值系数取0.9，以削减自重的有利影响。风荷载标准工况下，支架层间位移角取h/400，来核算支架侧向变形。

（2）考虑锅炉工艺的特殊要求，锅炉钢支架的防雨仅限于外包受热面部分，钢支架为裸露。因此，分配锅炉各受热面的风荷载时，对炉前膜式壁部分应分配至各膜式壁的限位装置上，而炉后部分则依据各层热面的高度及宽度分配到各层梁柱节点。由于各热面剖面均为矩形，风荷载体型系数可按1.3考虑，风压高度变化系数则根据各热面的高度依据《建筑荷载规范》8.2.1条采用，地面粗糙度按B类考虑。

2.4 STAAD有限元软件建模计算过程介绍

利用钢结构计算软件STAAD进行建模分析，把各荷载作用在相应的节点上进行分析计算。根据不同的工况对锅炉本体重量、平台活载、风载、地震荷载进行组合，另尚应专门组合现场水压试验时的特殊工况。检查各个杆件的内力变形及不同高度的位移。按照《锅炉钢结构设计规范》规定的结构水平位移容许值及梁挠度容许值验算，按照杆件的强度设计值进行应力大小的校核；并对模型进行调整，直至安全经济合理。依据《锅炉钢结构设计规范》5.15条对于锅炉顶板主梁挠度限值取L/850，这对梁的要求很严，故此处要重点关注。如不满足应调整梁截面，以免运行中出现主梁挠度过大情况。

图1 钢结构布置图

2.5 构件的截面选取

对主受力的梁柱采取钢板拼接的箱型结构，次梁可采用H型钢，斜撑可根据荷载大小选用H型钢或圆管。而各型钢及H型钢的选用应采用常用规格，以便采购。

2.6 节点分析及材料选用

钢结构设计要注意节点的合理选用，节点对锅炉钢结构尤为重要。对于前部悬吊膜式壁的大梁应在工艺对应的热面位置下方开孔，开孔需注意为上翼缘小下翼缘大，以考虑膜式壁运行过程中因热膨胀引起的摆动（类似钟摆运动）。另外，膜式壁对应的限位装置应特殊考虑，除应考虑水平地震作用引起的侧向应力，还应考虑风荷载时的影响，依据《构筑物抗震设计规范》5.4.1条两者作用可不叠加。对于通风梁的设计，尚应根据烟气温度选用相应的耐热材料或采取普通材料外包耐热浇注料的形式隔热，选用标准可参照《烟囱设计规范》中4.3.7条引用的欧标数据。另外，有斜撑处及集中荷载作用处（如支通风梁处）均应设置节点板以保证局部稳定。

3 项目总结

通过以上分析可知，此结构主承重部分为顶部梁及尾部通风梁下的支撑梁，荷载分析时主要调整这些梁的截面，因为这些梁下方均有垂直支撑，故可以抵抗水平力的影响使钢架位移满足规范要求。而对于左侧第二排柱子的水平位移控制，则以添加水平支撑为主。另外，由于项目处地震烈度和风压都很大的区域，需在主要水平力作用点附近增加支撑以抵抗其影响，使结构的整体稳定性大大提高，而同时合理的布置又能使梁柱等杆件的截面大大减小，提高了钢结构的经济性。

4 结构设计的思考

结构设计分门别类包括民用、工业、混凝土、钢结构、大跨结构、等。所以，作为一名设计人员需精通各种结构力学、材料力学、理论力学等，这些是我们做好结构的基础，有此基础后再拓宽知识面，涉猎较多的专业规范和不同的项目，多思考、多分析。

目前结构软件发展飞快，也让很多设计人员过于依赖软件，我们应保持足够的手算能力和把复杂结构转化为对应的简单力学模型的能力，在软件之外进行适当的人工干预，这样才能把结构设计做得更合理。