垃圾焚燒發電廠主廠房鋼結構靜力彈塑性分析

王群

（中國航空規劃設計研究總院有限公司 北京 100120）

0 引言

近些年來，隨著城市發展速度越來越快，垃圾圍城問題日漸突出，其中垃圾焚燒發電作為減量化、無害化、資源化處理生活垃圾的方式，得到了越來越廣泛的應用。通過垃圾焚燒發電，可以變廢為寶，對改善城市生態環境、助力城市綠色可持續發展起到重要的推動作用。

垃圾焚燒項目工藝流線復雜，單體眾多，其中主廠房是垃圾焚燒發電廠中最核心的區域。主廠房通常由焚燒廠房（卸料大廳與垃圾池、焚燒間及煙氣凈化間）、除渣間、汽機間、主控間、飛灰暫存間以及升壓站等單體組成。其中焚燒間及煙氣間由于工藝布置及建筑造型要求，在平面上存在長度大、跨度大等諸多問題；在立面上存在高度高、高度相差較大等問題，導致空間整體性較差。焚燒間及煙氣間的結構方案如下：采用鋼排架結構，其中鋼柱采用四肢鋼管格構柱以及雙肢鋼管抗風柱，并在廠房四周的格構柱之間布置三角鋼桁架；在焚燒間與煙氣凈化間分界處如有需要可只在頂部設置水平桁架，下方可不設置水平鋼桁架，工藝專業可以充分利用下方的空間進行設備和管道布置；屋蓋采用螺栓球網架，鋼格構柱施工完成后即可施工屋面網架，網架施工可配合高空滑移安裝技術，有效減少與設備安裝的交叉，縮短總體施工周期。

本文通過對某垃圾焚燒發電項目中焚燒間及煙氣凈化間鋼排架結構進行抗震性能研究，采用Pushover 的方法進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析計算，目的是預測結構罕遇地震作用下的地震峰值響應，找出結構的薄弱部位，了解該結構體系的變形能力、破壞機理以及薄弱部位等，并在設計時進行加強。

1 工程概況

本項目為一座日處理800 t 垃圾的生活垃圾焚燒發電廠，采用2×400 t/d 的垃圾焚燒線，配備1×18 MW 汽輪機+1×20 MW 發電機。建設地區的氣象條件如下：基本風壓（50 年一遇）：ω0=0.30 kN/m2，地面粗糙度為B 類，基本雪壓：S0=0 kN/m2。建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為8 度（0.20 g），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。焚燒間部分平面尺寸為36.875 m×41.625 m，焚燒間格構柱柱頂高度為41.500 m；煙氣凈化間部分平面尺寸為32.575 m×41.625 m，煙氣凈化間格構柱柱頂高度為38.000 m。四肢鋼管格構柱平面尺寸為2.5 m×2 m，鋼管直徑為299 mm，鋼管壁厚有兩種：14 mm 和16 mm；雙肢抗風柱平面尺寸為2 m，鋼管直徑為377 mm，鋼管壁厚有兩種：14 mm 和16 mm，格構柱材質均采用Q355B 焊接鋼管；抗風桁架采用三角桁架，尺寸為1.5 m（寬）×1.2 m（高），鋼桁架材質均采用Q235B 鋼材。

2 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

本文采用有限元軟件Midas Gen V8.0.0 建立分析模型，進行Pushover 分析的主要步驟如下：①建立整體模型；②定義Pushover 主控數據；③添加Pushover 荷載工況，選擇位移控制，確定荷載加載模式；④定義并分配塑性鉸；⑤運行計算，得到性能控制點參數，輸出Pushover 曲線；⑥分析層間位移角、出鉸狀態等結果。

將能力譜與罕遇地震的彈塑性需求譜畫在同一坐標系中，兩曲線的交點即為性能控制點。若能力譜與彈塑性需求譜曲線沒有交點，說明結構抵抗罕遇地震的時候承載力不足，需要調整結構設計方案［1］。在計算性能控制點時，有2 種計算方法：Procedure-A 和Procedure-B。其中Procedure-A 的方法是通過能力譜的初始剛度直線與阻尼比為5%的需求譜的交點作為初始性能點，建立多個阻尼比的彈性反應譜，經過反復計算得到性能點，但往往收斂性不好。因此設計時采用Procedure-B 的方法，此方法是通過非線性設計響應譜和有效周期的交點形成的軌跡與能力譜的交點作為性能點，其收斂性較好。

在Midas Gen 軟件中，通過離散的塑性鉸模擬桿件的非線性行為，根據不同結構構件受力特點，設置不同種類的塑性鉸。本工程對格構柱柱肢設置彎矩軸力相關（PMM）塑性鉸，對梁設置彎曲（M）塑性鉸，對桁架設置軸力（F）塑性鉸，骨架曲線選用適合鋼結構的三折線。由于荷載的加載模式直接影響計算結果，因此應至少采用兩種以上的加載模式進行Pushover分析［2］。

本工程采用模態加載模式和加速度常量的加載模式分別對X、Y 兩方向進行推覆分析，得到靜力彈塑性曲線。在能力譜比需求譜曲線中，需求譜曲線共4 條，這4 條曲線對應的是阻尼比分別為5%、10%、15%、20%的需求譜曲線。能力譜與其中1 條需求譜的交點形成性能點。各工況下靜力彈塑性曲線（能力譜比需求譜曲線）如圖1～圖4 所示。從靜力彈塑性曲線中可以看出：結構在X、Y 方向地震作用下，均能得到性能點，從各工況下結構的能力曲線即基底剪力-控制位移曲線的發展趨勢可以看到，當達到最大位移時，結構整體剛度并未急劇減小，說明結構具有良好的抗震性能，滿足在罕遇地震下結構承載力的需求。

圖1 X 向模態加載

圖2 X 向加速度加載

圖3 Y 向模態加載

圖4 Y 向加速度加載

本工程結構在各工況下性能點的參數如表1 所示。其中，V 表示在性能控制點的最大基底剪力，D 表示塑性狀態下結構的最大位移，Sa 表示性能控制點處譜的加速度，Sd 表示性能控制點處譜的位移［3］。結構彈塑性層間位移角均滿足《建筑抗震設計規范》（2016 年版）的規定，即滿足多、高層鋼結構彈塑性層間位移角限值為1/50［4］的規定。通過查看各個加載模式下塑性鉸分布情況，可以看出結構僅出現少量的塑性鉸，塑性鉸均出現在格構柱的斜腹桿位置，且數量較少，柱肢并未出現塑性鉸，展現了良好的抗震性能。

表1 不同加載方式的性能點參數

3 結論

通過對焚燒間及煙氣凈化間鋼結構進行靜力彈塑性分析，得出以下3 點結論：

（1）本工程鋼結構在罕遇地震作用下的層間位移角遠小于規范限值，且和彈性變形位移角要求的限值接近，反映出大部分結構構件在罕遇地震作用下仍處于彈性狀態，在達到性能點之后結構還有富裕的承載力，符合《建筑抗震設計規范》（2016 年版）中“大震不倒”的抗震設防目標。

（2）構件在罕遇地震作用下有少量塑性鉸出現，且塑性鉸均是先出現在焚燒間與煙氣間共用的格構柱的斜腹桿上，呈現出由外側的兩根格構柱向向里側的格構柱發展、從靠近上方的斜腹桿向下方的斜腹桿發展的規律。在抗震設計時應加強對共用的三根格構柱中出現塑性鉸的構件的設計，提高整體抗震承載力。

（3）采用靜力彈塑性分析進行抗震分析時概念清晰，操作簡單得到的分析結果也較為準確，能夠迅速幫助設計人員預測結構在罕遇地震下的響應情況，了解構件的破壞情況及發展規律，鎖定結構的薄弱部位，使設計更加安全、合理。