火力發(fā)電廠干灰?guī)鞙囟葢傲芽p計算方法

王學民

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概 述

鋼筋混凝土筒倉在我國許多行業(yè)有廣泛使用,如糧食、水泥、煤炭行業(yè),其貯料物種的特性與其它行業(yè)有所不同。貯灰?guī)煸诨鹆Πl(fā)電廠中得到了廣泛的應用。在電廠中,灰渣是在鍋爐排出后通過輸灰管道直接送到儲灰倉內(nèi),溫度可達100 ℃左右,而外部溫度隨季節(jié)和地區(qū)不同,差別較大。在北方地區(qū)的冬季,室外氣溫可達-30 ℃,灰?guī)靸?nèi)外溫差近130 ℃。即使在南方的夏季,灰?guī)靸?nèi)外的溫差也近50～60 ℃。溫度作用對混凝土的強度和彈性模量均有影響,引起混凝土變形增大,收縮和徐變加劇；同時,鋼筋在受熱狀態(tài)下受力性能、粘結(jié)性能和變形性能也將發(fā)生變化。

較大的溫差會對灰?guī)旖Y(jié)構產(chǎn)生較大溫度應力和溫度變形,而現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構設計規(guī)范(GB 50010—2003)》[1]中雖然考慮了溫差對筒倉結(jié)構作用,但僅考慮了常溫貯料下外界氣溫變化溫差引起的溫度作用,不能解決電廠貯灰?guī)齑嬖诘臏囟葐栴}。對于溫度作用下的筒倉設計,雖然已作了一些研究[2-3],但是沒有一種針對電廠干灰?guī)毂容^適用的設計方法。

目前,電廠干灰?guī)煸O計中對溫度問題的考慮主要有以下幾種辦法：內(nèi)部設計隔熱內(nèi)襯、外部設計保溫層、通過溫度計算加大配筋,但對于筒壁溫度作用的考慮沒有提出明確的方法。

2 溫度作用下的材料性能

現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范(GB 50077—2003》中規(guī)定了溫度作用下的混凝土和鋼筋的力學性能,見表1～4。

表1 溫度作用下的混凝土強度折減系數(shù)

注：γa、γw、γ1分別為溫度作用下混凝土軸心抗壓、抗彎壓或彎拉及抗裂設計強度折減系數(shù)。

表2 溫度作用下的混凝土彈性模量折減系數(shù)

表3 溫度作用下的鋼筋強度折減系數(shù)

表4 溫度作用下的鋼筋彈性模量折減系數(shù)

3 溫度作用

筒壁任意點的受熱溫度計算,可按平壁法計算。假定熱流按穩(wěn)定條件下傳熱,材料假定為勻質(zhì)體,即隨時間變化,內(nèi)部氣體溫度及熱流大小是常數(shù),根據(jù)熱量平衡條件可以推導出溫度計算公式。氣體傳熱考慮的主要是對流傳熱,而灰?guī)靸?nèi)是高溫散料,散料與筒壁間的熱傳導包括對流、輻射和導熱,三種傳熱方式同時存在,所以,灰?guī)斓臏囟扔嬎惴绞讲荒芴子脙?nèi)部為氣體時的溫度計算方法,否則會產(chǎn)生較大誤差。

當倉內(nèi)干灰料位較低時,干灰處于流化態(tài),此時可采用簡單的平壁法計算倉壁內(nèi)外溫差。

在滿倉時,干灰為非流化態(tài),可參考文獻[2]的做法,取靠近筒壁且其厚度等于筒壁厚的散料作為隔熱層,按平壁結(jié)構的穩(wěn)定熱傳導原理,計算筒壁內(nèi)表面溫度。具體方法如下：

(1)

式(1)中：Tcj為計算點的受熱溫度(℃)；

Tn為庫內(nèi)散料最高溫度(℃)；

Tw為庫外空氣溫度(℃)；

Rz為內(nèi)襯、筒壁、隔熱層等總熱阻(m2·K/W)；

Ri為第i層熱阻(m2·K/W)。

4 溫度應力計算

由彈性力學分析可知,兩端自由的無限長圓筒在溫度作用下的應力為：

(2)

(3)

式(2，3)中：a為筒壁內(nèi)徑；

b為筒壁外徑。

彈性力學的分析假定內(nèi)外溫差沿筒壁呈線性變化,而且考慮的是同一種材料。對于鋼筋混凝土筒壁,學者所關心的是鋼筋與混凝土之間的應力差,所以,不能直接應用彈性力學公式。

對于溫度作用下鋼筋混凝土筒壁鋼筋和混凝土的應力計算,可采用如下假定[4]：

1)截面應變符合平截面假定；

2)溫度單獨作用下壓區(qū)應力圖形呈三角形；

3)受拉區(qū)混凝土不參與工作；

4)計算混凝土壓應力時,不考慮界面開裂后鋼筋的應變不均勻系數(shù)和混凝土應變不均勻系數(shù)。在計算鋼筋的拉應力時,考慮鋼筋的應變不均勻系數(shù),但不考慮混凝土應變不均勻系數(shù)；

5)筒壁能自由伸縮但不能自由轉(zhuǎn)動，因此溫度應力只需計算由筒壁內(nèi)外表面溫差引起的彎曲約束下的應力值；

6)計算方法為分別計算溫度作用和荷載標準值作用下的應力值后進行疊加，在疊加時要考慮荷載標準值作用下的混凝土壓應力及鋼筋拉應力的降低。

由此,可得出筒壁溫度應力計算公式：

(4)

(5)

(6)

(7)

εt為筒壁內(nèi)表面與外側(cè)鋼筋的相對自由變形值；

εt=1.25(αcTc-αsTs)；

αc、αs為混凝土、鋼筋的線膨脹系數(shù)；

Tc、Ts為筒壁內(nèi)表面受熱溫度和外側(cè)鋼筋受熱溫度；

fttk為混凝土在溫度作用下的抗拉強度標準值。

5 裂縫計算

現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范(GB 50077—2003)》規(guī)定,裂縫按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》(GB 50010—2002)計算,其中的最大裂縫寬度計算公式為：

(8)

式(8)中各符號的意義參考混凝土規(guī)范。

該公式未考慮溫度作用。在溫度作用下,灰?guī)旎炷量估瓘姸冉档?鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能退化,容易產(chǎn)生裂縫。當筒壁內(nèi)熱外冷時,內(nèi)壁面呈壓應力,外壁面的縱向及環(huán)向均呈拉應力。當最大應力超過抗拉強度時,外表面將出現(xiàn)裂縫。一般縱向裂縫常見,而環(huán)向裂縫少見。

要考慮溫度作用,最簡單的辦法就是對該公式進行修正。考慮灰?guī)斓墓ぷ魈匦?作以下兩點修正：

1)對公式中的受拉鋼筋應力,代之以溫度與荷載共同作用下的受拉鋼筋應力；

2)考慮在長期高溫作用下,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度有所降低且滑移增大的影響,應增加一個大于1的工作條件系數(shù)k。

考慮溫度作用的最大裂縫寬度計算公式：

(9)

(10)

(11)

式(9～11)中：

σskt為荷載標準值和溫度共同作用下裂縫處鋼筋應力；

αcr為構件受力特征系數(shù)；

k為工作條件系數(shù)；

ni為第i種鋼筋根數(shù)；

ρte為以有效受拉混凝土面積計算的受拉鋼筋配筋率；

di、deq為第i種受拉鋼筋及等效鋼筋直徑(mm)；

c為混凝土保護層厚度(mm)；

νi為受拉鋼筋的相對粘結(jié)特性系數(shù)。

6 算例分析

某電廠干灰?guī)?內(nèi)徑15 m,儲灰溫度80 ℃, 儲灰高度19 m,儲灰密度14 kN/m3,冬季室外最低氣溫-5.8 ℃。筒壁配筋均以HRB335級鋼筋直徑25 mm間距150 mm考慮,筒壁厚度考慮400 mm和300 mm兩種情況,同時考慮設與不設120 mm厚耐火磚。導熱系數(shù)取值見表5，混凝土筒壁為1.74+0.000 5T；耐火磚內(nèi)襯為1.1+0.000 5T；干灰為1.2。計算時工作條件系數(shù)取1.0。

采用本文的方法,計算出各種情況下的結(jié)果如表5～6所示。

表5 儲灰料位較低,流化態(tài)時的計算結(jié)果

表6 儲灰滿倉時的計算結(jié)果

由計算結(jié)果可見,溫度對干灰?guī)斓挠绊懖蝗莺鲆暋?/p>

7 結(jié) 語

通過本文的分析可以得出如下幾條結(jié)論：

1)溫度作用對電廠干灰?guī)斓挠绊懖蝗莺鲆暎?/p>

2)彈性力學的溫度應力計算公式不能直接用于灰?guī)旆治?可以采用煙囪規(guī)范的方法,但是相對比較繁瑣；

3)可以將文中裂縫計算公式用于灰?guī)旆治?但是其工作條件系數(shù)有待于進一步研究。