懸掛式煙囪鋼平臺二次深化設計總結

楊宇春

（上海電力建筑工程公司，上海 200241）

1 前言

火力發電廠煙囪結構形式常采用鋼內套筒式或多管式煙囪，鋼內筒為排煙筒，外筒為鋼筋混凝土作為主要受力結構，內筒和外筒間設置多層鋼結構平臺，協調內外筒的變形一致，同時承擔煙囪內部檢修平臺的功能。目前，國內設計的鋼內筒煙囪大部分采用整體自立式， 即鋼內筒自立于零米基礎， 為自承重結構。由于大型機組煙囪高度高達210m-240m，加上鋼內筒的防腐內襯、加勁肋等，鋼內筒筒壁要承受很大的豎向荷載，其屬于壓彎構件，存在穩定問題，導致鋼內筒壁厚大，用鋼量高。而懸掛式鋼內筒則將鋼筒分段支承于各層平臺，筒身以受拉為主，避免了局部失穩，自重較自立式鋼內筒小40%左右，但是懸掛式煙囪對于鋼平臺結構有較大變化，懸掛層鋼平臺主梁截面、板厚都將增大，連接節點趨于復雜，對于制作及安裝帶來較大的難度。 因此需要在鋼平臺的制作階段合理地考慮整體平臺鋼梁的分段，及連接節點的策劃和設計， 并需選定合適的鋼平臺作為安裝施工平臺考慮并進行結構計算校核。

圖1

圖2

圖3

2 工程結構概況

老撾HONGSA（3×626MW）電站工程，煙囪結構形式為懸掛式鋼內筒煙囪，共3 個排煙鋼內筒，供三臺鍋爐使用。 鋼內筒高250m， 直徑為8.6m。 混凝土外筒高245m， 外筒底部外直徑29.1m，頂部外直徑23.7m。鋼內筒與鋼筋混凝土外筒之間共設置10 層鋼平臺，平臺面標高分別為243m、238m、182m、126m、90m、70m、65m、40m、35m 和10.05m，238m、65m、35m 平臺為鋼內筒懸掛平臺， 其余為止晃平臺， 煙囪立面圖見圖1 煙囪南立面圖。243m 層平臺澆筑混凝土，其余平臺配以樓面鋪設格柵板。

平臺鋼梁由三根主梁成三角形布置配以中間Y 型梁，將三個圓筒分隔開，形式見圖2 煙囪平面圖。 主梁簡支擱置在混凝土外筒筒壁上，Y 型梁與主梁采用高強螺栓連接，節點形式為鉸接連接，其余次梁與主梁均為鉸接連接。在懸掛層主梁與Y 型梁上設置掛支點與鋼內筒相連。 其余各止晃層主梁與Y 型梁與筒身之 間 配 以 止 晃 點 連 接。 10m 層、40m 層、70m 層、90m 層、182m層、243m 層平臺主梁截面規格為BH1000×400×16×40，Y 型大梁截 面規格BH700×400×12×30；238m 層 平臺主 梁截面規格為BH2600×500×40×50 主梁，Y 型大梁截面規格BH2200×500×32×50；35m 層、65m 層平臺主梁截面規格為BH2200×500×32×50，Y型大梁截面規格BH2000×500×30×40； 所有主梁及Y 型鋼梁材質均為Q345B。

鋼內筒上設置12 個懸掛點和平臺連接， 其中1#、3# 鋼內筒和238m 層平臺、35m 層平臺懸掛連接；2# 鋼內筒和238m 層平臺、65m 層平臺懸掛連接。 1#、3# 鋼內筒在標高37.2m 處設置氯化橡膠膨脹節；2# 鋼內筒在標高67.2m 處設置氯化橡膠膨脹節。

3 鋼平臺及鋼內筒安裝方案簡介

煙囪鋼平臺243m 層主梁采用整體單件安裝方法，Y 型大梁采用整體拼裝安裝法， 其他層平臺采用考慮將3 根主梁在三角形區域內與Y 型大梁及連接直接支撐采取地面組合， 整體安裝方法。 所以需要將平臺的3 根主梁在端部進行分段，見圖3 分段組裝示意圖（分段節點考慮采用高強度螺栓等強連接）。

煙囪鋼內筒安裝采用倒裝法， 動力是4 臺額定荷載為100噸的液壓油缸系統。 一般鋼內筒提升作業平臺都布置在懸掛層平臺， 此次經過安裝工藝考慮及實際平臺結構工況將4 臺油缸布置在煙囪的243m 層平臺上。鋼內筒膨脹節以上分成3 段。1#、3# 鋼內筒第一段標高為 （37.8m-97m）， 第二段標高為 （97m-183m）， 第三段標高為 （183m-250m），2# 鋼內筒第一段標高為（67.8m-97m）， 第二段標高為 （97m-183m）， 第三段標高為（183m-250m）。

鋼內筒安裝順序為1# 筒→2# 筒→3# 筒。 鋼內筒安裝工藝：鋼內筒制作時高度4m 作為一個標準節；第一個標準節上設置臨時吊點，和油缸的鋼絞線連接；第一個標準節提高，然后第二段標準節推入到下方，和第一個標準節進行焊接，以后依此類推；安裝完成8 節，更換吊點，吊點標高約238 米；當鋼內筒第一分段（183m-250m）焊接完成后，把其頂部標高提升到標高250米，然后把鋼內筒和238 米層的懸掛點施工完成；更換吊點，吊點標高約182m；按第一分段的方法安裝第二分段、第三分段，每個分段更換一次吊點；第四分段提升到位后，立即施工懸掛點。

4 鋼平臺結構及節點分析

4.1 提升施工平臺結構驗算

由于243m 層大梁需要作為整體煙筒提升的施工平臺，需要對平臺鋼梁進行結構驗算。 平臺荷載計算考慮如下因素：

（1）鋼內筒重量：根據圖紙及安裝方案計算，第二段的重量最大，為170 噸，分配到每點的荷載為42.5 噸。 （2）施工工裝荷載：考慮有液壓油缸系統、鋼絞線、油缸支撐梁、各種工器具等，每點荷載為10 噸。 （3）平臺樓面恒荷載：頂層平臺有澆筑混凝土區域，鑒于荷載過大考慮不澆混凝土，鋪設甲板，荷載按照1KN/m2。（4）施工活荷載：此部分區域施工時工人、工器具產生的施工荷載：按照2KN/m2。 （5）平臺本身自重：按照鋼梁截面重量乘以1.2的系數（考慮加勁板連接板等重量。 （6）提升吊籠荷載：每個支點位置荷載為2.9 噸。

依據前述各項荷載，以及施工方案中對3 個鋼內筒的各種施工工況荷載，以SAP2000 結構軟件建模分析得提升3# 筒時荷載最大， 荷載組合采用1.2* 鋼梁自重+1.2* 壓型鋼板自重+1.4*鋼筒3 提升荷載+1.4* 吊籠提升荷載+1.4* 施工活荷載。 提升布置見圖4。

驗算結果得BH1000×400×16×40 主梁應力比最大為0.92，BH700×400×12×30 主梁應力比最大為0.849。梁撓度超過最大允許撓度為1/400L。 按照設計及業主方要求應力上限控制在0.8的要求（需考慮鋼梁分段截面削弱因素），以及撓度控制要求該層平臺鋼梁無法滿足要求。 經通報設計對平臺進行重新計算校核原主梁BH1000×400×16×40 改為BH1300×400×25×40，Y 形梁BH700×400×12×30 改為BH900×400×25×40。 重新核算的主梁應力比最大為0.631，Y 形梁應力比最大為0.540，驗算撓度同樣滿足要求。

圖4

4.2 平臺結構連接節點分析

依據結構設計圖紙及施工安裝方案，煙囪各結構之間連接節點按照連接部位分為4 類8 種節點形式。 見下表1。

第一類鋼內筒與鋼梁連接常規的懸掛點做法是將懸掛環梁牛腿與支撐鋼梁擱置焊接。依據既有經驗分析表明，這種方式懸掛平臺在平面外承受較大附加彎矩， 過大的彎矩會使懸掛段上部出現受壓區，不利于內筒的穩定。本工程采用的懸掛連接節點更接近理想鉸支座，有效釋放彎矩，從而減小反力值。 具體做法為:支承鋼梁上設置與懸掛環梁等高的支座短柱，將支座短柱與懸掛環梁支撐勁板采用雙夾板連接板高強螺栓連接。 考慮實際制作及安裝誤差，懸掛環梁牛腿加勁板上開制豎向長圓孔，制作短柱上豎向加勁板上同樣開制豎向長圓孔， 雙夾板連接板開孔采用橫向長圓孔，見懸掛點示意圖5。

表1

圖5

圖6

鋼內筒與鋼梁止晃點采用常規做法，主要為在大梁側面加設止晃牛腿連接板，工內制作止晃支座板，由鋼板拼成[型，與大梁側板螺栓連接。 鋼內筒上焊制止晃牛腿成□形，同時再兩側鋼板上貼聚四氟乙烯板緩沖，相應形式見止晃點示意圖6。

圖7

主梁與外筒簡支節點做法為：混凝土筒壁上開孔做支撐平臺，主梁擱置在混凝土外筒平臺上，鋼梁下部采用開孔加墊板簡支，鋼梁與預埋鐵板焊接。 有關構造見圖7。 該種方式可避免給外筒筒壁帶來較大的局部平面外彎矩和和鋼梁下局部壓應力。

次梁與外筒節點做法為：混凝土筒壁上預設埋件，現場安裝時焊制鋼支座牛腿，然后將次梁擱置在牛腿上焊接。

各層平臺主次梁之間連接節點基本采用簡支鉸接形式。 依據鋼結構連接節點設計手冊及多高層鋼結構節點構造主要有以下種形式如圖8。

圖8

在電站結構中較常用的是①所示的節點，在次梁端部焊上角鋼。這樣的節點形式可以不考慮端部的附加彎矩，結構受力更加清晰，但是圖1 節點通常都為90°正交連接，在斜角連接時一般采用端板替代角鋼。 當角度太小時由于次梁上翼板切除過大，導致局部削弱過大時采用④所示節點方法， 計算需要考慮剪力產生的附加彎矩。 相對于鉸接節點次梁剪力計算需要按照次梁腹板截面受力的一半來考慮計算。

各層鋼平臺主梁及Y 型大梁由于安裝及制作運輸考慮，需要采用分段制作，現場拼接的方式。拼接節點采用全高強螺栓拼接，等強連接計算方式，具體形式見大梁拼接節點示意。

圖9

5 部分節點設計優化

5.1 鋼梁分段節點優化設計方案

因平臺主次梁連接部位較多，對于懸掛層大梁，由于截面太大， 采用全高強螺栓連接等強連接將導致高強螺栓連接節點區域過大，與次梁及懸掛節點等相碰撞，為此需要對于相應節點進行試算節點大小，并進行CAD 圖紙1:1 模型放樣，對于相碰節點采取實際受力計算，或者采用翼緣焊接，腹板高強螺栓連接等方式來避免。 經實際校核計算，238m、65m、35m 懸掛平臺的主梁及Y 型大梁按等強計算均無法進行螺栓排布，與周邊次梁，懸掛節點相碰。經實際選擇分段節點，請設計提供相應內力進行實際內力計算。 經設計提供具體設計內力核算后，大部分拼接節點按照實際受力計算螺栓數量排布能夠滿足放樣要求。 但仍有238米層Y 型大梁仍無法滿足要求，經與現場安裝單位及設計協商，將該節點改為翼緣焊接，腹板高強螺栓連接形式。

5.2 Y 型大梁鉸接節點優化

相對于各層平臺Y 型大梁與主梁的鉸接連接節點，基本上采用前序①所示的節點，在次梁端部焊上角鋼，與主梁腹板高強螺栓連接， 計算原則梁端剪力按照次梁腹板截面受力的一半來考慮。 同樣的在238m、65m、35m 懸掛平臺，若按照此計算原則，經過實際校核計算同樣由于截面過大，實際螺栓排布無法進行，設計核算相應實際受力進行計算。 經設計提供內力后， 計算通過。

另對于243m 層Y 型大梁由于安裝方案中提出Y 形大梁采用整體安裝，且安裝時H1300X400X25X40 主梁已經就位且無法移動， 經安裝單位方案放樣提出①所示的節點形式將導致Y形大梁在安裝時無法順利就位， 與H1300 大梁腹板與加勁板均相碰， 建議修改節點。 考慮節點連接方式為H900 大梁腹板與H1300 主梁加勁肋雙夾板連接， 主梁加勁肋與次梁腹板高強度螺栓摩擦型連接（雙剪），及前述④所示節點形式，經計算節點螺栓排布滿足要求。

6 總結

在進行懸掛式內筒煙囪平臺的制作深化設計時應當注意以下幾個方面：（1）對于作為整體提升用的施工提升平臺應當依據安裝提升方案產生的荷載進行整體的結構校核， 并須經過原設計同意。 在結構校核時需要要考慮主梁由于分段截面削弱因素。（2）懸掛節點需要考慮便于施工及安裝誤差帶來的影響。（3）主梁分段節點、 梁間連接節點采用螺栓或焊接連接的等均需進行必要的計算核算，分段方案需要考慮運輸、制作等情況。（4）針對安裝施工方案，可以改變部分連接節點做法以提升施工效率，但須經計算校核。 （5）針對深化圖紙，有條件需要進行三維整體建模放樣，可以整體考慮各部位干涉碰撞情況。

懸掛式內筒煙囪相對于自立式內筒煙囪，由于經濟省料今后將會成為電廠煙囪設計方式的主流。 對于該種類型煙囪制作安裝的研究，及連接節點的設計優化，有助于縮短鋼內筒及鋼平臺的施工周期。 鋼結構節點二次深化設計影響著整個工程的施工全過程和經濟效益。 鋼結構二次深化設計的策劃不僅帶來直接的經濟效益和社會效益，也有利于增強我們的綜合競爭力，在工程中需要好好整理并總結利用。

[1]李星榮.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京，中國建筑工業出版社.

[2]汪一駿.鋼結構設計手冊[M].北京，中國建筑工業出版社.

[3]孫勇.老撾HONGSA（3×626MW）電站工程煙囪圖紙，卷冊號F480S-T0306[D]，長春，東北電力設計院.