火力廠鋼結構廠房中懸掛式鋼煤斗連接設計要點

廖　瑩　黃小玲

(1.中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京　210019；　2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京　211102)

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火力廠鋼結構廠房中懸掛式鋼煤斗連接設計要點

廖瑩1黃小玲2

(1.中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京210019；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京211102)

利用ANSYS軟件，對懸掛式煤斗進行了整體受力計算，分析了懸掛連接點的受力特性，并從懸掛點受力變化、煤斗位移、支撐鋼梁穩定以及煤斗安裝等方面，闡述了懸掛式鋼煤斗設計的關鍵技術，以供同類設計參考。

懸掛式鋼煤斗，有限元模型，荷載，地震作用

鋼煤斗是火力發電廠重要特種結構之一，根據外立面形式分為方錐斗和圓錐斗。方錐斗優點在于其較高的空間利用率，常用于主廠房布置緊湊的中小型規模發電廠。與圓錐斗相比，方錐斗的設計更容易受到儲料荷載的影響，其壁板承受較大的平面外彎矩和變形，往往在壁板上布置較多的水平和豎向加勁肋。根據與主廠房主體結構連接方式的不同，煤斗可分為支撐式和懸掛式兩種結構形式，其中支撐式又分為上支撐、下支撐。對支撐式煤斗而言，需在主廠房特定高度位置設置煤斗支撐樓層，而懸掛式煤斗則只需在輸煤皮帶層設置相應的懸掛點，相比支撐式煤斗省去了支撐層，結構布置上更加緊湊、經濟。本文以菲律賓某25MW煤機的鋼煤斗設計為背景，對懸掛式方錐斗與主廠房主體結構連接設計中遇到的問題展開探討，并找出合理的問題解決方案。

1　工程背景

菲律賓PPEI20MW熱電廠位于菲律賓南部棉蘭老島的伊利甘市，主廠房由汽機房、除氧煤倉間組成，為框架—中心支撐鋼結構，縱向長38m，橫向寬29.2m，屋頂最大高度39m。抗震設防烈度為9度(0.4g)，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期為0.35s，框架抗震等級為二級。

該工程位于山地邊坡區域，場地空間狹小，主廠房布置非常緊湊，采用方錐形—懸掛式煤斗以充分利用主廠房空間滿足機務專業儲煤量要求。另外考慮到本工程設防烈度為9度，煤斗采用懸掛式方案能在一定程度上減輕地震作用力、改善結構抗震性能[1]。布置方案如圖1，圖2所示，煤斗布置在～?跨間，共2個，單個有效容積200m3，煤斗懸掛于28.20m輸煤皮帶層框架鋼梁及樓板鋼梁下。煤斗頂部垂直段大小為6.0m×6.0m，長3.5m，板厚為12mm，錐段出料口大小為1.2m×0.5m，長7.7m，板厚為12mm。煤斗壁布置水平加勁肋以約束煤斗側向

變形，肋采用標準截面角鋼。

2　煤斗有限元計算

2.1計算模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，對煤斗在儲料荷載作用下的應力及變形進行計算分析，并獲取各懸吊點的荷載。

有限元模型：煤斗壁板采用Shell181單元，加勁肋及裙梁采用Beam189單元，材料為Q235B。

儲料荷載：原煤密度9kN/m3,內摩擦角30°，儲料壓力按《鋼筋混凝土筒倉設計規范》中的淺倉計算，并轉化成壁板Shell單元的節點水平荷載及豎向荷載。

約束：煤斗每側邊設置5個懸掛點，約束形式為固結。

荷載工況：1.2煤斗自重+1.3儲料荷載。

2.2計算結果

計算模型網格及計算結果如圖3～圖5所示,壁板最大應力出現裙梁位置，為76.57MPa，加勁肋最大應力出現在裙梁往下第三排加勁拐角位置，為201.27MPa，且該點為應力集中點，應力集中可通過添加內弧板予以消除。

2.3懸掛點荷載分析

懸掛點布置如圖6所示，提取各懸掛點荷載如表1所示，在自重及儲料荷載作用下，煤斗懸掛點的荷載作用形式簡單。直壁段水平肋設置合理，有效地約束了煤斗壁在儲料荷載作用下的側向變形，進而大大減小了懸掛點對框架鋼梁的水平作用力。

表1　單斗懸掛點荷載表kN

3　懸掛節點設計關鍵問題

3.1煤斗在地震作用下的響應

地震作用下，煤斗的水平向運動將對支撐鋼梁下翼緣產生水平推力，對鋼梁的平面外受力以及下翼緣局部穩定造成不利影響。受限于問題的復雜性，無法準確計算煤斗在地震作用下對支撐梁的荷載，但顯然上述問題無法忽視，需采取可靠的措施避免上述問題。

如圖7所示，地震力F1作用在煤斗梁下翼緣，通過在樓板鋼次梁與煤斗梁之間布置隅撐將地震力F1傳遞至樓板鋼次梁，并最終通過抗剪鍵傳遞至混凝土樓板。 如圖8所示，在煤斗裙梁位置布置水平支撐，并將支撐直接與框架柱連接。

3.2懸掛點與柱間交叉支撐相碰處理

煤斗區域荷載集中，需在兩煤斗間布置柱間交叉支撐以避免地震作用下局部水平變位過大。由于煤斗豎壁設置水平加勁肋及裙梁，兩斗間必須預留足夠的寬度以避讓柱間支撐，且需預留足夠的懸掛節點安裝空間。

如圖9所示，邊懸掛節點采用常規的布置方案，煤斗壁中心與煤斗支撐梁中心對齊以盡可能減少因荷載偏心引起的附加扭矩。如圖10所示，中懸掛節點處支撐鋼梁的下翼緣加寬、節點貼翼緣邊布置以空出支撐空間，同時支撐的拼接高強螺栓螺母布置在支撐內側以減少懸掛節點的偏心。

3.3煤斗安裝

懸掛式煤斗在提高主廠房的儲煤空間利用率的同時，對煤斗的安裝提出了更高要求。如圖1，圖2所示，煤斗壁上口的凈尺寸大于支撐鋼梁的凈距，也大于框架柱間的凈距，導致在煤斗安裝就位前煤斗區域的支撐鋼梁、鋼柱不能安裝，對鋼結構施工安裝提出了更高的要求。因此懸掛節點方案需為安裝提供方便，同時煤斗的安裝施工必須結合鋼框架的安裝施工進行統一考慮，以便制定合理的安裝工序。鑒于此，本文提出如下節點方案并設計了完整的煤斗安裝工序，能完全解決煤斗及鋼結構安裝工序問題。

節點方案：如圖9所示，煤斗懸掛點均采用螺栓連接，并將螺母布置在支撐梁翼緣上方以便螺母擰緊。安裝前，可采用點焊方式將螺栓固定在節點板上，以防螺栓掉落。

煤斗安裝工序如圖10所示：步驟1：煤斗層鋼梁、鋼柱先安裝軸①～軸③鋼框架。步驟2：軸③框架安裝施工完畢后，吊裝左邊煤斗安裝就位。步驟3：安裝軸④框架及柱間支撐，以及左邊煤斗的支撐梁。步驟4：完成左邊煤斗與鋼框架的連接節點，由于采用全螺栓連接，節點安裝可在較快速度內完成。步驟5：吊裝軸④右邊的煤斗安裝就位。步驟6：安裝軸⑤框架，以及右邊煤斗的支撐梁。步驟7：完成右邊煤斗與鋼框架的連接節點。

4　結語

采用懸掛式鋼煤斗能有效解決小型發電廠在主廠房體積有限的情況下的儲煤量不足的問題。本文通過對伊利甘1×20MW燃煤電廠懸掛式煤斗的整體計算分析、連接節點設計以及煤斗安裝工序的設計，可以得出如下結論：1)合理的設置水平向加勁肋，可有效控制煤斗豎壁在儲料荷載下的側向變位，大幅度減少煤斗正常使用時對支撐鋼梁的水平作用力，懸掛式節點以承受豎向力為主。2)煤斗在地震作用下對支撐鋼梁的水平荷載不能忽略，但存在難以量化的困難。設計上可以通過采用必要的構造措施，對支撐鋼梁設置側向隅撐來保持支撐鋼梁的穩定。通過在煤斗四周設置水平向拉壓桿限制煤斗本體在地震作用下的位移，避免因煤斗在地震作用下側移過大對給料機接口設備造成破壞。3)煤斗層鋼框架的安裝應結合煤斗的安裝進行，通過單向逐跨安裝的方式，可以避免因懸掛式煤斗凈尺寸大于框架尺寸所造成的無法安裝的問題。

[1]廖翌棋，高政國，姚德康.大型火電廠煤斗懸吊結構抗震性能研究[J].建筑結構，2008，38(6)：30-32.

[2]張士煉，紀金豹，郝曉敏,等.大型火電廠煤斗懸吊減震結構振動臺試驗研究[J].電力建設，2008，30(8)：73-76.

[3]鐘金周，方偉定，余智恩，等.異型鋼煤斗荷載施加與結構有限元分析[J].武漢大學學報(工學版)，2010，43(S1)：303-306.

[4]高康，張彬，肖玉橋，等.火電廠懸掛式雙錐體鋼煤斗安裝施工方法[J].武漢大學學報(工學版)，2013，46(S1)：302-305.

Theanalysisofmainpointabouttheconnectiondesignforsuspendingcoalhopperinsteelstructuralpowerplant

LiaoYing1HuangXiaoling2

(1.China Nuclear Industry Huawei Engineering Design and Research Co., Ltd, Nanjing 210019, China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

UsingANSYSsoftware,thispapermadewholeforcecalculationtohangingsteelscuttle,analyzedtheforcecharacteristicsofhangingsteelscuttle,andfromthehangingpointforcechange,coalscuttledisplacement,supportingbeamstabilityandcoalscuttleinstallationandotheraspects,elaboratedthekeytechnologyofhangingsteelscuttledesign,forreferenceofsimilardesign.

hangingsteelscuttle,finiteelementmodel,load,earthquakeaction

1009-6825(2016)23-0049-03

2016-06-02

廖瑩(1983- )，女，碩士，工程師，一級注冊結構工程師

TU391

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