塔式爐鋼結構的設計

王化坤

摘要：本文通過對塔式爐鋼結構特點的介紹，針對鋼結構設計中遇到的技術問題進行討論，為今后同類項目的鋼結構工程提供參考。

關鍵詞：塔式爐鋼結構；設計

1 工程概況

2×100OMW超臨界機組的鍋爐采用了德國ALSTOM公司的塔式鍋爐技術。作為配套內容，大型塔式爐的鋼結構在德方的技術支持下，大型塔式鍋爐鋼結構為露天布置、獨立式全鋼結構，包括主鋼框架(含爐頂鋼框架)、輔鋼框架(爐前平臺、爐左右兩側平臺)、樓梯間和空氣預熱器鋼框架。主鋼框架和輔鋼框架總占地寬度約51m，長度為40m，屋頂頂面標高約為132.000m，用鋼量約為11000t。輔鋼框架下部爐前平臺與煤倉間共用一排立柱，減小了鍋爐島的占地面積。下部爐前平臺的水平力均由主鋼框架的主梁和立柱承受，煤倉間柱僅承受豎向荷載。空氣預熱器鋼框架為相對于主鋼框架獨立的穩定框架結構，其分為3個部分:中心部分用于支承從爐頂吊下來的煙道，兩側部分用來支承空氣預熱器，其標高在0.000-39.300m。

1 設計過程中的技術難點及分析

1.1 主立柱

主立柱的材料。在設計初期，考慮全部使用Q345-B鋼材。但是國內的鋼材標準受到加工工藝水平的限制，厚板的容許應力隨著厚度的增加相應折減。所以經初步計算，從經濟性和可行性方面反復推敲，最后在0.000-50.000m的標高段主立柱及其他關鍵部位采用了國產A572-Gr50鋼板，主立柱板厚為50mm。

從吊機的起吊能力和經濟性出發，經過多次優化和比對，限制了板厚規格。A572板材選用規格種類主要控制在50、70、100mm等幾種，降低了制造、運輸、安裝的成本難度。

1.2 主立柱截面的選取

主立柱需要承受非常大的荷載，其截面的選取對主鋼框架的設計至關重要。根據最終的整體結構分析結果，主立柱基本荷載約為:靜載63kN、活載24kN、風載43kN和地震荷載28kN，因此實際選取最不利工況下的荷載組合為112.6kN。每根立柱均需要受到X向和Y向的彎矩，且兩個方向的內力組合基本相同。這一特性決定了立柱的截面特性需要X向和Y向的慣性矩及抗彎模量基本相同，正方形的箱形柱完全符合這一要求。

為保證足夠的慣性矩和抗彎模量，并將板厚控制在合理的范圍內，決定采用2500mm×2500mm的截面。由于構件最長的計算長度約30m，初步校核構件強度和整體穩定性可滿足驗算要求。但4塊腹板的局部穩定性無法通過驗算，必須設置縱向加勁肋。

1.3 柱腳的設計

本工程每個主鋼框架柱腳均采用8根M68地腳螺栓。每組地腳螺栓套管用角鋼和槽鋼焊接構成框架組合。該框架可以在工廠內組合完畢，以保證每組套筒之間相對位置的準確，有利于避免在混凝土澆筑過程中發生位置偏移。地腳螺栓框架的頂標高在地腳螺栓套管蓋板頂部(0.010m)。混凝土澆筑頂標高為±0.000，即地腳螺栓套管的蓋板應高出混凝土上表面10mm。地腳螺栓保護套管的3mm厚蓋板焊在套管上部，避免套管內進人污漬和積水。安裝公司在吊裝柱腳前，先切割掉保護套管的蓋板，然后插人地腳螺栓開始安裝柱腳。

該形式地腳螺栓完全滿足了施工便利性和定位的精確度。最為重要的優點是，采用該形式后，大大增加了螺栓與基礎混凝土之間的錨固表面積，因為在套筒內最終灌注高質量的灌漿料，保證了螺栓和套筒之間的可靠錨固，可以看作套筒與螺栓形成一體再錨固于基礎混凝土內。這一點是預埋螺栓達不到的，從而減小了地腳螺栓的長度。

1.4 柱底板

柱底板調平墊板的設計。本工程的柱腳設計為剛性連接，因此柱底板在工廠內與主立柱焊接后出廠。吊裝時單件重量超過了80kN，如何調平柱底板成為技術難題。常規柱底板側安裝調平螺栓的方案不可行，使用鍥塊調節無法保證調整的有效性，因此采用了在柱底板下安裝調平墊板的方案。

調平墊板分為兩部分，下調平墊板安裝在混凝土基礎上表面60mm深的預留孔內。下調平墊板采用3個調平螺栓與基礎留孔底面牢固接觸。在調平墊板就位并調平后用灌漿料灌漿固定，并應保證灌漿后位置不會發生變化。在柱腳吊裝前，調平墊板下的灌漿至少完成7d的養護期。上調平墊板在工廠內焊接到柱底板下，對應于下調平墊板的位置。上下調平墊板的接觸面均需要銑平。

2 主梁和主料撐

2.1 主斜撐連接節點的設計

原設計中，主斜撐與梁柱之間的連接板采用一端與斜撐或梁柱焊接，另一端螺栓連接。這樣必須確保構件吊裝時有100%的螺栓孔穿孔率。若出現較大的偏差，則整個螺栓孔群都無法穿孔。超長的箱形截面構件要求就位后誤差在lmm左右，目前的工藝水平的確無法保證。對此，解決方法是全部構件出廠前進行預拼裝。

為確保不進行預拼裝情況下的斜撐節點板達到100%穿孔率，決定將原計劃現場焊接一端的節點板改為全螺栓連接。在出廠時連接板一側的螺栓孔先不鉆，梁柱上預定位置的螺栓孔鉆好。當斜撐吊裝就位后，斜撐上端的螺栓全部擰緊，斜撐下部用擋塊將其定位。此時吊機可以松鉤。然后斜撐下端的節點板就位，現場在節點板上定位螺栓孔。節點板送回加工廠按照現場放樣的位置鉆孔，之后第二次吊裝就位用高強螺栓固定。由于各方的緊密配合，最多增加2d時間就可以完成斜撐的安裝，并且達到了節省預拼裝、優良的穿孔率和避免現場焊接的目的，也沒有過多地增加吊機占用時間。

2.2 關鍵斜撐的考慮

190m標高處，支撐于梁下的兩個斜撐間距是兩個大板梁之間的間距，這樣的設置是為了更好地傳力。由于斜撐長度比較長，截面比較大，故在節點設計時考慮分3段連接。中間的直段與柱子和梁采用法蘭面連接，既可以保證安裝的準確性，也降低了桿件起吊的難度。另外，主鋼框架的斜撐吊耳在斜撐就位狀態下，將其設置在斜撐的重心垂線上，這樣斜撐可以更好地安裝就位。

2.3 主梁抗震結構的考慮

抗震設防烈度在8度或者8度以上時，高層鋼結構框架體系可采用中心支撐或偏心支撐，宜采用偏心支撐框架體系。偏心支撐框架充分利用支撐與梁交點間形成的耗能梁段在大震作用下產生的剪切或者彎曲屈服，保證支撐的穩定，提高結構的延性。與中心支撐框架相比，偏心支撐框架具有更好的耗能性能。

本工程支撐與梁采用剛接，耗能梁段的長度對偏心支撐受力性能的影響很大，采用較小的耗能梁段長度有利于結構的耗能和承載力的提高。

2.4 爐頂鋼框架的設計思路

由于所有荷載都懸吊在爐頂鋼框架上，荷載重、跨度大，所以把大板梁向內移到主鋼框架的梁上，這樣次梁的跨度減小后就有效降低了用鋼量。

2.５ 板梁的計算

整個梁安裝就位后對整個板梁的計算。考慮靜載和風載的計算:在主鋼框架和大板梁中間設支撐結構是為了保證板梁的穩定，所以做完板梁的總體計算后，必須對板梁的支撐結構進行計算，并且主要考慮風載的影響。

吊裝板梁下部時的計算。板梁下部長31.5m，考慮荷載為板梁所受靜荷載并增加20%的安全余量。

吊裝板梁上部時的計算。板梁上部長31.5m，考慮荷載為板梁所受靜荷載并增加20%的安全余量。

3 結論

塔式爐鋼結構的結構分離特性較為突出，在設計初期應集中精力于主鋼框架，以縮短整體工期。在明確了各部分鋼結構的接口之后，可以實現多人分段式設計。這對于塔式爐鋼結構設計工作具有一定的借鑒意義。但在以后的同類工程中還應加強結構優化設計，使塔式爐鋼結構更加適應中國本土化的要求。