華潤電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結構設計應用研究

于洋

【摘 ?要】超超臨界電站鍋爐作為懸吊式鍋爐，具有荷載體量大、設備荷載多、管道結構復雜等特點，其構架設計也由于荷載數量與位置不規律，無法批量化采用相同截面構件，需要針對每根構件進行設計。本文通過介紹華潤電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐鋼結構設計，列舉了分離式柱腳、靴梁式柱腳、立柱、垂直支撐、梁等結構形式設計過程，對于大板梁這種疊合梁，分別對其截面系數、主焊縫計算、支座加勁肋計算、局部穩定計算方面進行了計算分析，希望能對重型工業鋼結構設計提供參考。

【關鍵詞】超超臨界電站鍋爐;鋼結構設計;鍋爐鋼結構;分離式柱腳;靴梁式柱腳

1、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結構工程概況

華潤電力（錦州）有限公司660MW超超臨界電站鍋爐構架分為鍋爐和脫硝兩部分，鍋爐與脫硝鋼結構聯合整體布置。鍋爐構架及脫硝構架為全鋼架結構，承載體系為框架與支撐結構，結構件連接形式采用鉸接，主要承載桿件之間采用扭剪型高強度螺栓連接，鍋爐構架寬度為48m（B0-B48），深57.4m（H-N），高95.4m，立面布置5片桁架即H、L、N、B0、B44.6;結構高度方向共分10層，分別為6.9m、15.5m、24.2m、33.2m、44m、57.4m、67.1m、80m、85.5m、95.4m。通過水平支撐和立面框架（抗剪平面）來保證整個結構的穩定及將風荷載、地震荷載等水平載荷傳遞到基礎，零米處共布置49根柱，分9段。建筑面積3300m，本工程按抗震設防烈度6度（0.0887g），Ⅱ類場地。

2、660MW超超臨界電站鍋爐鋼結構設計

2.1基礎負荷計算

2.1.1地震荷載計算

基本數據：地震烈度：6度（0.0887g）Ⅱ類場地土。

按《建筑抗震設計規范》（GB5001-2010）的規定，采用底部剪力法;

結構高95.4m，桁架結構C取0.488，結構自振周期

阻尼比取0.02，衰減指數

阻尼調整系數

特征周期按照取0.35，自振周期處于1倍特征周期與小于5倍特征周期之間，地震影響系數最大值取0.07

水平地震系數

結構總水平地震作用

結構總水平地震作用標準值為水平地震系數與結構總重力荷載代表值乘積。

各層水平地震作用標準值

其中

頂部附加水平地震作用標準值

2.1.2風荷載計算

根據技術協議，取最大風速V=31m/s，場地土取B類場地土

2.1.3 設備荷載匯總

根據性能、煙風道、受熱面、預熱器、輔機等部門提供設備荷載資料，將設備荷載分配至對應鋼結構節點上，將管道荷載按照支吊形式分配至管道上方或下方平面對應節點。

2.1.4 基礎負荷計算

采用staad有限元軟件建模分析，計算每個柱腳各工況所受軸向壓力、水平力與上拔力數值，按照《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）組合，得出基礎負荷圖。

2.2柱腳設計

2.2.1 分離式柱腳

以L-B24為例，L-B24柱腳所受軸向壓力為4810kN，立柱尺寸為H400×450×10×20。根據《鍋爐鋼結構設計規范》（GBT22395-2008）10.3.19規定，柱底板底部均布壓力應小于基礎混凝土抗壓強度設計值，基礎采用C30混凝土，抗壓強度設計值為14.3N/mm，經計算混凝土面積應大于336363.6mm，選用700mm×700mm尺寸柱底板。

柱底板厚度應按照下式計算：

厚度值向上取整，取60mm。

2.2.2 靴梁式柱腳

以H-B0柱腳為例，H-B0柱腳軸向壓力為22630kN，立柱尺寸為H540×740×20×90，以分離式柱腳計算，柱底板厚度應不低于169mm，施工生產難度較大，應選用靴梁式柱腳。根據《鍋爐鋼結構設計規范》（GBT22395-2008）10.3.15規定，柱底板底部均布壓力應小于基礎混凝土抗壓強度設計值，基礎采用C30混凝土，抗壓強度設計值為14.3 N/mm，經計算混凝土面積應大于1582517.5mm，選用1500mm×1500mm尺寸柱底板。底板厚度應按照下下式計算：

式中M應取自由區域、三邊支承區域、四邊支承區域中彎矩最大值，即：

向上取整，柱底板厚度取90mm。

2.2.3 抗拔柱腳

以H-B24柱腳為例，H-B24柱腳上拔力為1460kN，選用Q345-B承壓型高強度螺栓，螺栓強度設計值為180?N/mm，螺栓總面積應大于上拔力與螺栓強度設計值的比值81.1cm，布置4個抗拔螺栓，每個螺栓截面積應大于20.3 cm。選擇M64螺栓。

每個螺栓受36.5t 拉力，利用連續梁程序進行計算，兩端彎矩為211.7 t/cm，跨中最大彎矩為105.4 t/cm。兩端支承端板截面模量應大于兩端彎矩與兩端支承端板強度設計值的比值86.7 cm，跨中支承端板截面模量應大于跨中彎矩與跨中支承端板強度設計值的比值42.2 cm，支承端板厚度選取70?mm，材質Q345-B。

肋板最大支座反力為63.5t，彎矩為825.5 t/cm，選用厚50 mm，高500?mm肋板試算可滿足要求。

2.3.立柱設計

H-B0立柱尺寸為H540×740×20×90，軸向壓力為22630kN，立柱長7.45m，柱頂與柱腳均為鉸接，依據《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）8.1.1，軸心受力的構件的強度應按下式計算：

依據鋼結構設計規范，查表得：φ取0.957，其穩定性應滿足：

2.4.橫梁設計

橫梁1HA1長8.6m，為單向受彎桿件，在距左端點1.1m處受87kN集中力，距左端點1.55m處受40kN集中力，距左端點2m處受74kN集中力，距左端點2.75m處受40kN集中力，距左端點3.95m處受50kN集中力，距左端點4.5m處受84kN集中力。選用Q345鋼材，選用I700×350×10×16截面。

根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）7.1.1-7.1.4，正應力、剪應力、局部壓應力、組合應力應按下式計算：

梁長5.486m，回轉半徑為70mm，長細比為梁長與回轉半徑比值，計算得78.4

最大彈性撓度為11.33mm 小于跨徑1/500，滿足規范要求。

2.5.大板梁設計

由于大板梁高度超過3.8m，根據《鍋爐鋼結構設計規范》（GBT22395-2008）9.2.35規定采用疊合梁形式，由梁高3500mm，上翼緣寬950mm厚70mm，下翼緣寬460mm厚26mm，腹板厚40mm工字型鋼梁與梁高1800mm，上翼緣寬510mm厚26mm，下翼緣寬950mm厚70mm，腹板厚40mm工字型鋼梁疊合而成，長度方向采用4段梁拼接而成。

2.5.1 大板梁截面系數

大板梁（一）梁截面面積為2146.2cm，慣性矩為32524479.7 cm，凈截面模量

大板梁（二）梁截面面積為1479.2 cm，慣性矩為6347094.3 cm，凈截面模量

2.5.2 大板梁主焊縫計算

大板梁最大支反力為11610kN，根據《鍋爐鋼結構設計規范》（GBT22395-2008）9.2.33主焊縫尺寸

2.5.3 大板梁支座加勁肋計算

大板梁腹板計算長度為1042mm，支座加勁肋寬455mm厚50mm，查表，加勁肋應力

2.5.4 大板梁局部穩定計算

需設置橫向加勁肋。

第一段大板梁最大剪力為1161t，剪切應力

加勁肋間距應小于2倍梁高，取加勁肋間距2m。

第二段大板梁最大剪力為707.9t，剪應力

加勁肋間距應小于2倍梁高，取加勁肋間距3.76m。

第三段大板梁最大剪力為449t，剪切應力

加勁肋間距應小于2倍梁高，取加勁肋間距3.22m。

第四段大板梁最大剪力為181.3t，剪切應力

查表

加勁肋間距應小于2倍梁高，取加勁肋間距3.21m。

加勁肋寬應大于，考慮疊梁影響，取440mm，厚度應大于寬度的十五分之一，厚度取30mm。

2.6.整體設計

本項目采用staad有限元軟件進行計算分析，結構重要性系數選擇1.1，荷載組合按照《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）規定進行組合，設計使用年限50年，最大組合應力比為0.93，X向最大層間位移角為1/1593，Y向最大層間位移角為1/1044，滿足規范要求。

3、結語

本文通過介紹華潤660MW超超臨界電站鍋爐構架工程設計過程，總結出以下構件連接形式為鉸接的重型工業鋼結構設計要點：

1）荷載統計應根據不同荷載類型進行計算匯總;

2）普通柱腳可選用分離式柱腳，承受荷載較大的柱腳應選用靴梁式柱腳，承受上拔荷載應選用抗拔柱腳，并根據不同的柱腳形式參照規范進行設計;

3）立柱應按照軸心受力構件進行計算校核;

4）橫梁應按照受彎構件進行計算校核，部分受扭構件應進行抗扭驗算;

5）梁高過高的橫梁應采用疊合梁形式，并對其主焊縫、支座加勁肋、局部穩定進行計算校核;

6）整體設計可采用有限元軟件進行分析，并對其結構層間位移角進行校核。

（作者單位：上海同豪土木工程咨詢有限公司）