鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)探討

甄 軍

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)探討

甄 軍

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)的一般規(guī)定，從柱腳埋深確定、預(yù)埋鋼筋計(jì)算、注意事項(xiàng)等方面，闡述了鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)的措施，有利于保證整個(gè)鍋爐鋼架的安全性。

鍋爐鋼架，柱腳，鋼筋，螺栓

0 引言

我公司承擔(dān)的熱電工程設(shè)計(jì)中，一般情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人需配合鍋爐制造廠完成鍋爐鋼架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。制造廠對鍋爐鋼架柱腳與基礎(chǔ)的固定形式通常要求剛接，錨固形式采用預(yù)埋鋼筋焊接或地腳螺栓，一般制造廠的資料中有所規(guī)定，此外并無其他特殊要求。為安裝校正簡便，大部分情況下均采用預(yù)埋鋼筋錨固，與柱腳焊接固定后進(jìn)行兩次灌漿，灌漿料通常用高一等級的細(xì)石混凝土或者水泥基灌漿料。然而，國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范沒有給出預(yù)埋鋼筋的計(jì)算方法，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人帶來很多困惑。本文基于目前鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)研究情況的總結(jié)，提出了鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)要求，下面將結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)討論這個(gè)問題。

1 一般規(guī)定

設(shè)計(jì)鍋爐鋼架基礎(chǔ)時(shí)必須先了解所設(shè)計(jì)的鍋爐類型與產(chǎn)品型號，用在火力發(fā)電廠的鍋爐設(shè)備通常是固定的，大多系采用煤為燃料，也有采用燃?xì)饧叭加偷摹Ｄ壳半娏こ讨羞\(yùn)用較多的是煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐。

鍋爐鋼架基礎(chǔ)一般在鍋爐房除灰層(±0.000)標(biāo)高附近，支撐鍋爐鋼架設(shè)備本體以及附屬設(shè)備全部荷載，鍋爐鋼架柱子通常亦用以支撐鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層的部分樓板，土建設(shè)計(jì)的任務(wù)只是地下結(jié)構(gòu)部分，包括支撐鍋爐鋼架柱的基礎(chǔ)在內(nèi)。

柱腳與基礎(chǔ)的連接方式有固接和鉸接兩種，為了使柱所承受的荷載安全地傳遞到基礎(chǔ)中，柱腳要有適當(dāng)?shù)恼w剛度，各部分的板件要有足夠的強(qiáng)度和可靠的連接。柱腳詳圖見圖1。

2 鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)

本文將鍋爐鋼架柱腳設(shè)計(jì)分三個(gè)方面來展開，分別是：

1)柱腳埋深確定；

2)預(yù)埋鋼筋計(jì)算；

3)注意事項(xiàng)。

2.1 柱腳埋深確定

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，鋼柱腳的固接形式基本上有四種：外露式柱腳、插入式柱腳、埋入式、外包式。除外露式柱腳沒有埋深要求外，其他幾種柱腳形式均有明確的埋入深度要求。GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]規(guī)定：插入式柱腳中，鋼柱插入基礎(chǔ)杯口的最小深度din可按表8.4.15取用，但不宜小于500 mm，亦不宜小于吊裝時(shí)鋼柱長度的1/20。高鋼規(guī)程中規(guī)定埋入式及外包式柱腳埋入深度為截面高度的2倍～3倍，是引用日本的經(jīng)驗(yàn)，對抗震有利。而鋼骨混凝土規(guī)程中對此沒有提出要求。

從鍋爐制造廠的角度出發(fā)，20世紀(jì)70年代之前，中國的鍋爐設(shè)計(jì)，基本上是從前蘇聯(lián)引進(jìn)的技術(shù)。最大鍋爐機(jī)組是20 MW。鍋爐鋼柱與基礎(chǔ)的連接方式明確是固接。柱腳的埋深沒有條文規(guī)定，根據(jù)柱斷面的大小，計(jì)算柱腳靴梁的高度，并取靴梁的高度為柱腳的埋深，圖紙上看到的只有500 mm和700 mm兩個(gè)數(shù)值，與柱子的最大寬度沒有明確的數(shù)量關(guān)系[2,3]。

從20世紀(jì) 80 年代開始，中國引進(jìn)美國CE公司的300 MW和600 MW鍋爐技術(shù)之后，才有了鉸接柱腳。不論是鉸接柱腳還是固接柱腳，我國鍋爐行業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的做法，根據(jù)柱子的大小設(shè)置500 mm，700 mm，1 000 mm，1 200 mm等不同的埋深。現(xiàn)行國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]對柱腳的埋深也只是籠統(tǒng)的規(guī)定可按承載大小取300 mm～1 000 mm，并沒有做具體明確的規(guī)定。

通過比較發(fā)現(xiàn)，對于埋深的不同要求，其根本原因在于鍋爐制造廠與設(shè)計(jì)單位之間對柱腳設(shè)計(jì)沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按照外包式柱腳采取設(shè)計(jì)方法，而鍋爐制造廠采取外露式柱腳設(shè)計(jì)方法。為什么會(huì)出現(xiàn)這種設(shè)計(jì)方法的不同，原因就在于預(yù)埋錨筋錨固形式。

固接外露式柱腳形式是通過錨入混凝土中的柱腳錨栓來承受拉力，通過柱底的抗剪鍵來承受剪力，設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求是非常明確的。

實(shí)際的工程中，為了精確定位柱腳錨栓，施工過程中就需要用到錨栓固定架，而固定架也必須經(jīng)過設(shè)計(jì)，并按設(shè)計(jì)要求制作。固定架必須有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，所定螺栓位置應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)、設(shè)備要求準(zhǔn)確定位，中心、標(biāo)高、垂直度應(yīng)在允許偏差范圍內(nèi)。

然而，由于工期的要求，現(xiàn)在的工程基本上是邊設(shè)計(jì)邊施工，在鍋爐基礎(chǔ)準(zhǔn)備進(jìn)行施工時(shí)，固定地腳螺栓的定位架還未經(jīng)設(shè)計(jì)及定貨制作。因此，為了施工校正方便，往往取消了地腳錨栓，采用預(yù)埋鋼筋固定形式，并通過鋼筋熱彎與柱腳底板或加勁肋雙面焊接來承受拉力，實(shí)際上仍然是外露式柱腳，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能認(rèn)為取消錨栓后應(yīng)該采取插入式或外包式的構(gòu)造要求，這就導(dǎo)致了關(guān)于柱腳埋深問題的出現(xiàn)。

因此，為了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化并使設(shè)計(jì)者有一個(gè)可遵循的原則，建議鍋爐鋼柱柱腳的埋深統(tǒng)一明確規(guī)定取靴梁和連接板的高度并往高100 mm圓整。實(shí)際上有不少鍋爐構(gòu)架設(shè)計(jì)的結(jié)果,也基本上滿足GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，但這只是數(shù)值上的巧合，而不是理論上的一致。

2.2 預(yù)埋鋼筋計(jì)算

現(xiàn)行國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范10.3.18條e款對于固接柱腳錨栓的確定如下：

柱底板一邊緣的應(yīng)力按式(1)計(jì)算：

(1)

柱底板另一邊緣的應(yīng)力按式(2)計(jì)算：

(2)

固接柱腳應(yīng)力分布見圖2。

如果qmin<0，說明柱底板與基礎(chǔ)之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)假定拉應(yīng)力的合力由錨固螺栓承受。設(shè)壓應(yīng)力合力的作用點(diǎn)在D點(diǎn)，根據(jù)對D點(diǎn)的力矩平衡條件∑MD=0，可得錨固螺栓拉力T按式(3)計(jì)算：

(3)

根據(jù)錨固螺栓所承受拉力T，確定錨固螺栓的數(shù)量和直徑。錨固螺栓的長度應(yīng)按照要求設(shè)置。當(dāng)埋置深度受到限制時(shí)，則錨栓應(yīng)牢固地固定在錨板或錨梁上，以傳遞錨栓的全部拉力，此時(shí)錨栓與混凝土之間的粘結(jié)力可不予考慮。

對于采用預(yù)埋錨筋的形式，規(guī)范并沒有給出計(jì)算公式。而且，預(yù)埋錨筋均在柱腳底板外圍，如果仍采用上述計(jì)算公式，在其他參數(shù)不變的條件下，d值增大，拉力變小，計(jì)算結(jié)果變小。

因此建議預(yù)埋錨筋計(jì)算時(shí)，d的取值應(yīng)考慮預(yù)埋錨筋熱彎后與鋼柱實(shí)際焊接位置的影響，適當(dāng)減少取值，以保證安全。

2.3 注意事項(xiàng)

1)設(shè)計(jì)單位注意事項(xiàng)：必須了解鍋爐房的建筑結(jié)構(gòu)和熱機(jī)設(shè)備的布置情況；鍋爐基礎(chǔ)和主廠房結(jié)構(gòu)之間必須設(shè)置沉降縫分開，并應(yīng)考慮基礎(chǔ)與主廠房結(jié)構(gòu)的差異沉降對工藝設(shè)備的影響；必須考慮鍋爐房運(yùn)轉(zhuǎn)層樓板擱置的要求；必須考慮鍋爐房今后的擴(kuò)建條件，如地下基礎(chǔ)標(biāo)高應(yīng)考慮沖灰溝的設(shè)計(jì)坡度及穿越問題；在鍋爐基礎(chǔ)的上面不得直接設(shè)置振動(dòng)較大的動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)，如磨煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等。

2)鍋爐制造廠注意事項(xiàng)：設(shè)計(jì)圖紙要考慮施工方便性和可靠性，可根據(jù)國家規(guī)范GB/T 22395—2008鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算出柱腳錨栓，提供給設(shè)計(jì)單位以供參考；根據(jù)柱腳靴梁大小確定合理的埋深；鋼柱的底板上應(yīng)設(shè)計(jì)排氣孔以便二次灌漿。

3)施工單位注意事項(xiàng)：施工單位應(yīng)熟悉DL 5190.2—2012電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范第二部分：鍋爐機(jī)組[5]，并經(jīng)安全考試合格方準(zhǔn)上崗工作；鍋爐基礎(chǔ)檢查、劃線和墊鐵安裝應(yīng)按照規(guī)范要求執(zhí)行。

4)建設(shè)單位注意事項(xiàng)：建設(shè)單位應(yīng)選擇正式的電建施工隊(duì)伍。

3 工程實(shí)例

某熱電工程中主廠房鍋爐間，布置有210 t/h鍋爐一臺，410 t/h鍋爐4臺，鍋爐制造廠提供的鍋爐鋼架基礎(chǔ)荷載如下：柱腳埋深均為500 mm，基礎(chǔ)采用C30混凝土，預(yù)埋錨筋采用HPB300。d的取值考慮預(yù)埋錨筋熱彎后與鋼柱實(shí)際焊接位置的影響，d=a-150 mm，部分計(jì)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 鍋爐制造廠提供的柱腳荷載表

表2 鍋爐鋼柱腳計(jì)算結(jié)果(一)

表3 鍋爐鋼柱腳計(jì)算結(jié)果(二)

經(jīng)過驗(yàn)算，qmin>0，說明柱底板與基礎(chǔ)之間未出現(xiàn)拉力，按照構(gòu)造要求配置預(yù)埋錨筋即可，且混凝土局部壓應(yīng)力滿足要求。

4 結(jié)語

通過以上分析可以得到結(jié)論：

1)柱腳埋深不必按照插入式或埋入式的要求設(shè)置，但為了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化并使設(shè)計(jì)者有一個(gè)可遵循的原則，建議鍋爐鋼柱柱腳的埋深統(tǒng)一明確規(guī)定取靴梁和連接板的高度并往高100 mm圓整。

2)預(yù)埋錨筋固定方式中，預(yù)埋錨筋的計(jì)算可參照固結(jié)柱腳錨栓的計(jì)算方法，但d的取值應(yīng)考慮預(yù)埋錨筋熱彎后與鋼柱實(shí)際焊接位置的影響，適當(dāng)減少取值，以保證安全。

3)鍋爐制造廠、設(shè)計(jì)單位、施工單位、建設(shè)單位應(yīng)加強(qiáng)溝通協(xié)作，各單位應(yīng)充分考慮相互之間的要求，既保證設(shè)計(jì)安全也要便于施工。

4)鍋爐柱腳的構(gòu)造要求必須保證，在計(jì)算理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少的情況下，構(gòu)造的滿足就顯得尤為重要。

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)則與計(jì)算方法[Z].上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所，1978.

[3] 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司.鍋爐構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊[Z].哈爾濱：哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，1985.

[4] GB/T 22395—2008，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] DL 5190.2—2012，電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范[S].

Abstract: Combining with the engineering cases, the paper introduces the general rules for the design for pedestal of boiler’s steel frame, and illustrates the measures in the design for the steel frame from the identification of the pedestal burial depth, pre-buried reinforcement calculation, and precautions, so as to ensure the safety of the whole boiler’s steel frame.

Key words: boiler’s steel frame, pedestal, reinforcement, bolt

Study for design of steel boiler column base

Zhen Jun

(CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd,Jinan250101,China)

2016-03-13

甄 軍(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0047-03

TU761.2

A