某钢铁厂制粉喷吹站钢结构设计

韩 强

(宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900)

制粉喷吹工艺是现代高炉炼铁工序的重要环节，所谓高炉喷吹煤粉就是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉或烟煤粉或这两者的混合煤粉，从而降低焦比和生铁成本，同时也极大地减少了环境污染，它是现代高炉冶炼的一项重大技术革命。该制粉喷吹站位于广东省湛江市东海岛，工艺上采用国内不常采用的四个制粉系列设计，可同时供应该钢铁厂1号、2号高炉的工作需要。本工程为钢框架支撑体系，整体效果如图1所示。结构上的主要工艺荷载介绍如下：30 m层有4个原煤仓(每个600 t)，2个煤粉仓(每个750 t)，59.5 m层有4个袋式收粉器(每个220 t)，楼面活荷载均按4 kN/m2考虑。自30 m标高起，X向由3个柱距收进为2个柱距，形成阶形的建筑立面。本工程设计使用年限为50年，抗震设防分类为丙类，上部结构安全等级为二级。基本风压为0.86 kN/m2(50年重现期)，地面粗糙度为B类，不考虑雪荷载，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45 s。

1 结构体系介绍

1.1 竖向承载力系统

该制粉喷吹站为钢结构框架-支撑体系，X向柱网尺寸分别为15 m,16 m,19 m，Y向柱网尺寸为4×10.5 m。柱网平面布置图如图2所示，其中左侧15 m及16 m跨柱顶高度为68.300 m，以下称主楼，右侧19 m跨柱顶高度为30.000 m，以下称毗跨。根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)[1]的要求，梁柱抗震等级均按照三级设计。

钢框架柱与框架梁采用翼缘二级剖口焊+腹板高强螺栓的栓焊形式连接，次梁与主梁采用高强螺栓节点板形式铰接连接。所有钢框架柱均采用圆形截面，毗跨框架柱采用φ559 mm×12 mm螺旋焊管，内灌C40混凝土。主楼钢框架柱从基础至30.000 m标高范围采用φ920 mm×16 mm螺旋焊管，内灌C40混凝土。而从30.000 m至52.000 m标高范围分两种情况，边柱采用φ720 mm×14 mm螺旋焊管,中柱采用φ920 mm×16 mm螺旋焊管，均内灌C40混凝土。主楼从52.000 m起至68.300 m标高范围均采用φ720 mm×14 mm纯钢管，不再灌注混凝土。

由此整个结构钢框架柱截面根据平立面的整体受力特点，分别采用合适的尺寸，既考虑到了受力的合理性，又充分节约了钢材和混凝土的用量，符合该钢铁厂的整体建设理念。

1.2 水平承载力系统

该制粉喷吹站为钢结构框撑体系，钢框架和钢支撑共同抵抗结构水平外力，其中以支撑为主要受力系统。本工程X向共5排柱，设3道支撑，主楼Y向共3排柱，设2道支撑，毗跨Y向设1道支撑，满足抗震规范对于支撑框架间楼盖长宽比不大于3的规定。另外支撑布置整体较为均匀，尽量使形心、质心、刚心三者趋于重合。

考虑到支撑为轴向构件的受力特点，支撑截面设计为箱型，有效避免了H型截面强弱轴方向稳定性差异大的缺点，可以充分发挥材料的承载能力。本项目中，支撑均采用了规格为400 mm×400 mm的方型截面，支撑板厚自上而下分别为16 mm，25 mm和30 mm，与受力特点相匹配。

1.3 楼盖系统

该制粉喷吹站是一座工业构筑物，除偶尔检修外，日常运行基本处于无人状态，楼盖对舒适度要求不高。所以楼面仅采用满铺花纹钢板+加劲肋的形式，但在局部受设备影响较大而开洞较多的区域，增设平面内水平斜杆以加强平面内的刚度和整体性。

2 超限情况及措施

2.1 平面不规则

楼层局部不连续：参照GB 50011—2010(2016年版)规范的相关规定，楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，如有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%或者开洞面积大于该层楼面面积的30%或较大的错层即为楼板局部不连续。本工程在底部的几个结构楼层，由于工艺需要，须在底部布置4台较高的大型磨煤机设备，所以结构在中跨被打断，属于工业建筑里比较特殊的不连续结构，对整体平面刚度不利。根据初步计算结果，分析得到的考虑偶然偏心的最大扭转位移比为1.11<1.2，周期比为0.55，理论上整体扭转效应可控。另外偏于保守的不考虑这几层的刚性楼板假定，以尽量准确或适当提高了相应构件的内力结果，确保设计安全。

2.2 竖向不规则

本结构竖向不规则主要体现在自30.000 m标高起立面出现了局部收进，在X方向的尺寸由50 m收进到了31 m。参照GB 50011—2010(2016年版)规范的相关规定，除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%属于侧向刚度不规则结构，(50-31)/50=38%>25%。

针对以上不利情况，结构设计时，主楼钢框架柱的尺寸均较毗跨适当提高规格。经分析，该竖向不规则事实上未对结构的抗震分析带来过多的影响。

3 结构整体分析

采用MIDAS GEN三维空间分析软件对该制粉喷吹站结果模型进行了多遇地震和风荷载作用下的结构内力和位移计算，同时考虑了双向地震作用及扭转耦联影响，并取足够多的振型以保证计算结果的精度。

设计参数主要有：钢构件净毛面积比取0.9；振型效应组合方式取CQC；振型阻尼比为0.02；不考虑周期折减；不考虑梁刚度放大；整体为敞开式结构，风荷载根据实际构件和大型设备的挡风面积计算并以集中荷载形式添加在相应楼层面。

结构的前3阶振型详见图3～图5，主要计算结果详见表1。

表1 计算结果

4 静力弹塑性推覆(Pushover)分析

为了实现“大震不倒”的第三水准抗震设防目标，对该制粉喷吹站结构进行了第二阶段的抗震设计，即罕遇地震下的结构弹塑性变形验算。计算仍采用MIDAS GEN 软件，对结构进行了推覆分析。控制指标参考JGJ 99高层民用建筑钢结构技术规程[2]的规定，结构层间侧移不得超过层高的1/70，同时也参考了CECS 28∶2012钢管混凝土结构技术规程[3]第4.3.9条的规定，结构层间侧移不得超过层高的1/50。参照FEMA-273和ATC-40所建议的方法，分析结果表明，结构能力谱能够顺利穿越需求谱[4]。在性能点处，X向最大层间位移角为1/395，Y向最大层间位移角为1/289。由此可知，主体结构在罕遇地震下仍具有较好的性能储备，与1/70限值对比，计算结果控制仍较好。

5 结语

1)该制粉喷吹站采用的结构体系和方案可以满足设计风荷载及多遇地震下不出现结构破坏的要求，同时结构在正常使用极限状态下的变形也满足相关规范限值要求。值得一提的是，该制粉喷吹站在2015年9月投产仅半个月后，即遭遇了湛江气象记录史上最强的台风“彩虹”袭击，台风中心最高风力15级，阵风达17级，大大超过了原预计的设计风载，但该制粉喷吹站结构整体表现良好，仅有局部围护构件轻微损坏。2)静力弹塑性分析的结果表明，在罕遇地震作用下，该制粉喷吹站结构的抗震性能能够较好地满足“大震不倒”的抗震设计目标。3)该制粉喷吹站的总用钢量为4 200余吨，经分析对比，较以往每个高炉配两个制粉系列的喷吹站来说，节约了大约25%的用钢量及15%的桩基础量，同时由于共用了上料、除尘等工艺系统，经济效益十分显著。笔者建议在条件许可的情况下，国内其他新建高炉炼铁喷吹项目可参考使用。