某火电厂烟道钢支架的设计与分析

2022-08-16段雷琳

低碳世界 2022年5期

段雷琳

（国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

当前新能源发展势头正猛，未来能源发展的趋势是大力发展清洁能源。虽然煤电在发电领域中的比重正在逐年下降，但我国电力行业以煤为主的特点将一直持续到2040年，从电能供应的总量上看，我国电力能源结构依然是以火电为主[1]。烟道是输送烟气的重要工艺设备，锅炉和除尘器之间由前烟道连接，脱硫塔和烟囱之间则由后烟道连接。由于生产工艺复杂，烟道钢支架的结构布置一般不规则，在实际设计过程中常常出现异常现象。本文对烟道钢支架的设计进行研究。

1 工程概况

根据工艺提资，该段烟道为前烟道，烟气从锅炉排出通过烟道进入静电除尘器。烟道需要穿越多层支架升至支架顶层，并通过支座支承在钢支架上，烟道及支架剖面如图1所示。烟道支架高18.4 m，长40 m，宽18 m，该钢支架共分为6.1 m、13.2 m、18.4 m三层，底部两层均用于支承烟道，顶层是设备层也是检修层，该层除了支撑出口烟道之外，还承担了低温省煤器等绝大部分设备的荷载。

图1 烟道及支架剖面

2 结构布置

2.1 结构形式

烟道钢支架结构的平面及立面布置都不规则，平面开洞多，大开洞部位往往也是工艺荷载的主要作用部位。钢梁跨度大，结构平面刚度较弱，采用纯框结构往往不能满足结构安全要求。根据以往设计经验，钢支架通常采用框架-支撑结构和排架-支撑结构。

（1）框架-支撑结构：该结构为超静定结构，梁柱为刚接，支撑与柱为铰接。根据抗侧移刚度，可分为强支撑框架和弱支撑框架[2]。

（2）排架-支撑结构：该结构为静定结构，梁柱为铰接，支撑与柱为铰接，框架柱平面内计算长度系数为1。

从受力上分析，框架-支撑结构由于梁柱刚接，钢梁跨中的弯矩和挠度都比排架-支撑结构要小，钢梁的截面更小，但却增加了钢柱平面内和平面外的弯矩，导致钢柱的截面更大。结合以往设计经验，两种结构形式的总体经济造价相差不大。

从施工进度和难度上分析，框架-支撑结构的梁柱节点一般做成纯焊接接头或栓焊组合接头，而排架-支撑结构的梁柱节点大多做成纯螺栓连接。在实际施工过程中，排架-支撑结构在施工进度和难度方面都更有优势。

结合以上因素，考虑到该工程对施工进度要求较高，故采用排架-支撑结构体系。

此外，钢柱与基础的连接多为铰接，这样施工较为简便，施工工期更短。但是，当水平力荷载、风荷载较大时，柱脚容易出现较大的上拔力，在进行柱脚设计时，要特别注意螺栓的抗拔验算。

2.2 结构构件布置

首先按工艺提资合理布置柱网，然后按标高逐层布置钢梁、钢牛腿、钢格栅板及钢梯等构件。其中水平支撑的布置应使其既能传递该平面层的水平荷载，又能提高该平面的水平刚度。本项目的6.1 m和13.2 m层只是用来支撑烟道，没有平台。由于两个烟道沿着中轴线对称布置，荷载主要作用在2～3轴与4～5轴之间，故在3～4轴之间沿着纵向E1～E3轴布置水平支撑，6.1 m层结构布置如图2所示。顶层18.4 m层是主要的设备层，并兼做检修平台层。该层荷载较大（水平力、风荷载、地震荷载），应尽量在钢梁的侧向设置水平支撑，这样既可以有效提高整个设备层的水平刚度，又能减小钢梁的平面外计算长度，是减小有较大荷载梁截面的有效措施。18.4 m层除了烟道出口开洞，水平支撑在钢格栅下方打满整个平面层，以保证在荷载作用下该层平面内同方向的水平位移相差不大。

图2 6.1 m层结构布置

平面层布置完成后就可以进行立面布置。立面布置主要是垂直支撑的布置，合理的垂直支撑布置既能有效传递各层水平荷载，又能有效减小结构的总位移及层间位移。在不阻挡设备的前提下，应尽量规则均衡布置，最好将竖向支撑从上到下连续布置，避免中断。垂直支撑一般采用中心交叉支撑、V型支撑，其与梁柱采用铰接连接方式。本项目结合实际情况，在3～4轴交E1～E3轴以及1～6轴交E2～E3轴的位置，从上到下设置连续垂直支撑，从而与水平支撑共同作用，有效提高整体结构的刚度。

2.3 构件截面形式

结合钢构件受力特点及以往经验，钢支架钢柱一般采用H型钢或箱型截面，钢梁采用H型钢或槽钢，水平支撑可采用单角钢或双角钢，垂直支撑可采用H型钢或圆钢管等。构件截面的形式和尺寸需根据实际杆件内力、连接节点、节间无支撑长度等因素综合考虑。本项目E1轴钢柱采用HW400×400型钢，E2、E3轴钢柱采用HW500×400型钢。钢梁按铰接考虑，采用H型钢，具体截面根据计算结果确定。水平支撑采用双角钢2L140×14，垂直支撑采用圆钢管P245×12。

3 荷载取值

根据荷载种类，在MIDAS Gen软件中定义了9种荷载工况：D——结构及各附属构件自重，Dgz——管道及支吊架净重，Ljh——积灰荷载，Lh——管道膨胀摩擦力，Lh1——补偿器产生的盲板力，Wx——X向风荷载，Wy——Y向风荷载，Rx——X向地震力，Ry——Y向地震力，其中Rx、Ry为软件自带反应谱荷载工况，无须用户额外定义，只需根据实际情况定义反应谱函数。

3.1 永久荷载

永久荷载包括结构自重、钢格栅平台自重、电缆桥架、钢楼梯以及工艺提资的管道及支吊架净重。由于模型中已经建入钢柱、钢梁，只需将钢格栅自重以面荷载施加到18.4 m层上，电缆桥架、钢楼梯自重则以线荷载施加到钢梁上，管道及支吊架净重由工艺提资以点荷载的形式施加在钢梁上。

3.2 可变荷载

可变荷载包括钢格栅平台和钢楼梯的活荷载、风荷载、烟道积灰荷载，以及滑动支架和导向支架由于烟道升温（热态）或降温（冷态）时产生的摩擦力以及补偿器产生的盲板力。各荷载按面荷载、线荷载、点荷载形式施加到结构上。

烟道支架是一种无维护结构，受风面主要是钢构件以及设备。该项目基本风压W0=0.4 kN/m2（50年一遇），可按受风面积折算为线荷载或点荷载施加到对应杆件上。厂家一般会提供烟道和设备风荷载，但往往会忽略其所在高度而产生的风压高度系数的改变，因此在设计过程中需要核实。此外，顶层设备具有一定的高度，合力作用点相对于支架还存在一个力臂，通常设备受风面较大，这使得这个弯矩也较大，设计中不能忽略。

盲板力通常由工艺提供具体数值，而摩擦力一般按0.1倍竖向荷载考虑，由结构设计者计算，方向则是与管道膨胀或收缩方向相反。由于管道支座较多，摩擦力方向较难确定，需要参考固定支座来判断相邻管道的方向，荷载组合中需要考虑膨胀与收缩两个方向。

3.3 偶然荷载

偶然荷载包括设备启动、停机或事故时产生的摩擦力及内压力等。

3.4 地震作用

该建筑抗震设防烈度为Ⅶ度，抗震等级为三级，反应谱特征周期Tg=0.65g，钢结构阻尼比为0.05。

根据现行《建筑结构可靠性设计统一标准》[3]，本工程考虑了多项荷载组合，取各自的最不利组合进行设计。

4 结构分析及计算要点

采用MIDAS Gen软件对结构进行空间整体建模，进而对钢支架进行结构分析计算和杆件验算，烟道钢支架空间模型如图3所示。按照《建筑抗震设计规范》[4]第3.4.3条对建筑“不规则性”的定义，该烟道钢支架既为“平面不规则”又为“竖向不规则”结构。

图3 烟道钢支架空间模型

4.1 周期比

提取该项目的前3个振型进行分析，如表1所示。由表1数据可知，第1振型为X方向平动，第2振型Y方向平动，第3振型为扭转。按规范要求Tt与T1的比值应小于0.85[4]，计算结果Tt/T1=0.7002/0.8288=0.845，满足规范要求。

表1 前3个振型

4.2 位移分析

关于层间位移，《建筑抗震设计规范》规定，在多遇地震作用下，多、高层钢结构的层间位移比限值为1/250[4]，《锅炉钢结构设计规范》给出的层间位移限值为1/300，顶点位移限值为1/400。为了方便计算，常将结构按无侧移框架考虑柱计算长度系数，在重力、风荷载或地震荷载组合工况下，层间位移比限值为1/500。经过软件计算，结构的楼层最大层间位移比分别为：X向1/740（第三层），Y向1/980（第三层），均满足规范要求。