火電廠綜合管架的分析與設計

王 孟 秋

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

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火電廠綜合管架的分析與設計

王 孟 秋

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

結合某火電廠工程的實際情況，選取了火電廠綜合管架的結構形式，通過建立結構模型，對該管架結構進行了受力分析計算，并提出了火電廠地基處理和基礎設計方法，以供類似工程參考。

火電廠，管架，結構分析，地基處理

1 工程概況

離石大土河2×35萬kW低熱值煤熱電聯產工程建設規模為2×350 MW超臨界直接空冷供熱機組。本工程廠址位于離石區城區東北約13 km的回龍塔村北側，山西省呂梁市離石區信義鎮信義工業園區內。本工程地震設防烈度為6度；地震動峰值加速度為0.05g；場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第三組，特征周期0.45 s；基本風壓0.45 kN/m2(50年一遇),地面粗糙度類別為B類。廠址區土壤最大凍結深度104 cm。綜合管架區域地下水深度8 m以上,且部分區域為Ⅱ級自重濕陷性黃土場地、部分區域為非濕陷性場地。

2 結構選型

綜合管架上布置有輸灰管道、蒸汽管道、燃油管道和電纜橋架等。圖1為一個典型的管架上管道布置剖面圖。根據各專業所提供的資料得知：輸灰管道支點跨度為6 m、蒸汽管道的支點跨度也為6 m、燃油管道支點跨度為3 m、電纜橋架支點跨度不大于2 m。由于以上管道和電纜的豎向(水平)荷載都不是很大，管架結構形式采用大跨度管桁架結構。鋼柱和桁架的上、下弦桿采用鋼管，在管道的支點處設橫向H型小鋼梁。兩腿鋼柱之間設鋼管斜撐抵抗橫向水平力，在管道的固定點處設四腿的格構柱抵抗縱向水平力。

3 結構分析計算

3.1 設計條件概述

該廠區位于山區，場地標高起伏比較大，廠區南側和北側之間有一個5 m多高的護坡，南側低，北側高。護坡北側綜合管架頂距地9 m多，由于綜合管架上主要管道是輸灰的8根管，管道從北側過來連接護坡南側的灰庫，根據除灰工藝要求，在護坡處管道不能向下走，只能水平走，因此護坡南側綜合管架頂距地達14 m多。在護坡上部第一個管架處根據規范[1]要求設了一個伸縮縫將管架結構斷開。本文僅對從灰庫至護坡頂處這段高管架進行計算分析。

3.2 結構建模

采用有限元計算分析軟件MIDAS進行上部結構計算，用世紀旗云結構設計工具箱軟件來計算管架的聯合基礎。依據工藝資料用MIDAS建立模型。均采用Q235鋼材，柱、桁架上/下弦桿件和斜撐等采用鋼管；支撐管道的橫梁采用小H型鋼。柱、桁架上/下弦、支撐管道的橫向H型鋼采用“梁單元”；柱間支撐、桁架上/下弦平面外支撐，桁架腹桿采用“桁架單元”。桁架上/下弦桿件的兩端與柱連接處釋放梁端彎矩約束。在每個柱子的底部均添加固定支座。建模得到的整個結構模型如圖2所示。

3.3 添加荷載

定義三種靜力荷載工況：恒載工況、活載工況和風載工況。首先將結構的自重定義為向下的恒荷載；其次將管架上的管道和電纜等的豎向荷載也定義為向下的恒荷載，將它們添加到小H型鋼的梁單元上。將管道的軸向推力定義為水平的活荷載添加到小H型鋼的梁單元上。由于管架比較長，管道的水平力可能方向相反相互抵消一部分，但計算中保守的確定管道的水平力均朝一個方向，并且沒有考慮管道之間的牽制系數，以此來計算柱、梁和支撐等構件，這樣的假設提高了結構的安全度。定義橫向風荷載添加到桁架上弦的梁單元上。根據本工程的設防烈度、場地類別、地震分組等參數定義地震反應譜函數，據此再定義縱向和橫向的兩個方向的地震荷載工況。只將恒荷載轉化為質量，比例系數取1.0。

3.4 結構的計算和分析

結構在各荷載工況下進行計算，阻尼比取0.02，然后根據規范[2]進行荷載組合。隨后進行鋼結構構件驗算，根據各個構件的應力比調整和優化結構構件的截面尺寸，使各構件既滿足結構的強度、穩定性、長細比等要求，又不太浪費。調整后最終確定的結構構件截面如表1所示。

表1 管架結構構件截面尺寸

對于結構在荷載作用下的變形，規范[1]規定主要有兩個限值：1)管道支架(桁架)的允許撓度值不應大于l0/500。2)鋼結構管道支架柱在風荷載作用下沿橫向產生的柱頂點位移與總高度之比不宜大于1/250。

由于主要是由恒荷載引起桁架的豎向彎曲變形，所以只提取結構在恒荷載工況下的豎向變形值。分析得到各跨跨中最大的撓度為1/1 146，遠低于規范限值。提取結構在風荷載工況作用下的橫向柱頂位移值，得到柱頂點位移與總高度之比的最大值為1/4 850，也遠低于規范限值。以上分析說明本管架結構滿足規范的變形要求。

3.5 地基處理和基礎的設計

根據巖土工程勘測報告，場地內原狀土①-2層素填土、②-1層黃土(粉土)為Ⅱ級自重濕陷性黃土。此段管架處于原狀土挖方區(挖土約7 m厚)，挖土場平后還有濕陷性黃土層約5 m厚。基礎埋深2 m，地基處理采用基礎下換填1 m厚3∶7灰土，灰土寬出基礎邊1 m(如基礎底面1 m以下還有雜填土應全部挖出，用3∶7灰土分層夯實回填至基礎底標高)。換填處理后地基承載力不小于150 kPa。

鋼柱同基礎混凝土短柱的連接做法采用插入式杯口基礎。基礎采用兩柱(或四柱)的聯合基礎，用世紀旗云結構設計工具箱軟件來計算管架的聯合基礎。根據管架柱腳的位置在世紀旗云中輸入基礎短柱位置和基礎尺寸等條件。分別提取MIDAS模型中在恒荷載、活荷載、橫向風荷載、縱向地震荷載、橫向地震荷載等單獨荷載工況下的各柱的柱底反力，將上述各單獨工況下的柱底反力作為多工況下的荷載標準值輸入到世紀旗云中，然后利用世紀旗云軟件進行在各荷載工況下的計算，并且根據規范[2]進行荷載組合。利用上述計算組合結果進行基礎截面承載力計算校核和地基承載力校核，使地基基礎滿足設計要求。

[1] DL 5022—2012，火力發電廠土建結構設計技術規程[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

Analysis and design of the comprehensive pipe frame of heat-engine plant

Wang Mengqiu

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with actual heat-engine plant engineering conditions,the paper selects comprehensive pipe frame structure form of the heat-engine plant.Through establishing structural model,it carries out stress analysis calculation for the pipe frame structure,and puts forward foundation processing and foundation design methods of the heat-engine plant,with a view to provide some guidance for similar engineering.

heat-engine plant,pipe frame,structural analysis,foundation treatment

1009-6825(2016)29-0044-02

2016-08-04

王孟秋(1976- )，男，工程師

TU318

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