鋼鐵業某鍋爐鋼結構的設計及思考

郭中偉

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

鎳鐵合金余熱鍋爐用于回收鎳鐵冶煉電爐產生的煙氣余熱來發電。2012年初，杭鍋集團為廣東某公司設計60MVA的鎳鐵合金礦熱余熱鍋爐。鍋爐室外露天布置，自然水循環方式，整體采用單鍋筒3換熱回程、膜式壁、全自然循環形式。

1 鋼架設計、布置原則

（1）本鍋爐在結構方面，過熱器和蒸發器由吊掛管吊掛，省煤器由通風梁支撐，即前吊后支的形式，這點跟一般的余熱鍋爐有較大區別。故鍋爐前半部分主要的荷載都作用在頂部梁上，后半部分的荷載通過通風梁支到框架梁上。鍋爐鋼架安裝場地類別為Ⅱ類，地震設防烈度7度，基本風壓0.7kN/m2，雪荷載較小可忽略，其余各工況荷載按工藝人員提資。根據以上特點初步確定這臺鍋爐鋼架的結構形式。

（2）考慮到鍋爐重量很大，一部分作用在標高19.4m，且考慮7度地震及風壓較大，此處除頂部梁采用較大截面外，梁下方均布置垂直支撐，以減小主梁的截面，且可以大大降低水平荷載對框架的位移影響。此處的鋼架主要考量指標為層間位移角及梁豎向和水平撓度。

（3）由于本鋼架在左起第二排柱子的下部無垂直支撐來抵擋水平力對柱子的影響，故采用在19.4m下方沿高度方向連續三層均布置水平支撐，利用水平撐桿與梁形成的剛性支撐來增加此排柱子的側向剛度以減少立柱面外計算長度，保持結構穩定。

（4）考慮到頂層鍋筒的重量及懸吊桿所傳遞的過熱器及蒸發器熱面的重量，頂部及第二層梁采用較大截面，并且這兩層梁下部中間位置均布置人字撐，這樣既減小了梁的截面又可抵抗地震及風所產生的水平作用。使鍋爐26.4m處的頂部位移不超過水平位移上限。其余梁只做連接不用承擔較大豎向力，故下方的垂直支撐為華倫式，僅抵抗水平力即可，斜撐長細比限值也可適當放寬。

（5）尾部熱面采用通風梁結構(箱型梁，端部設導管，熱空氣可從梁內流出)，省煤器的重量通過懸吊的通風梁傳遞到相應的梁上，梁下方均有垂直支撐以抵抗水平力。按框架支撐結構設計，以減少立柱平面外的計算長度，受力明確，傳力直接均勻對稱。

（6）左起第3排柱子既承受左側過熱器、蒸發器重量又要承受右側省煤器的重量，累積到底部應力過大，在柱子上部布置垂直支撐時考慮讓支撐往兩邊柱子傳力，使此排柱子底部應力降下來。這些垂直支撐既起到抵擋水平力作用又能把柱子上過大的力轉移到旁邊的柱子上去，不用增大此排柱子的截面，一舉兩得，使柱子的截面尺寸更加合理。

（7）該支架荷載較大，鋼柱腳要求剛接，基礎考慮為埋入式連接，此時基礎部分的設計應依據廠家提供的柱底力各標準工況自行組合設計基礎，并布置好預埋件。

2 鋼架的設計和計算過程

2.1 荷載的統計及作用位置

按照《鍋爐鋼結構設計規范》要求，鍋爐荷載統計為6900kN，包括熱面重量、水、保溫、積灰等，由于平臺活載較小也含在總重內。荷載按照鍋爐結構布置作用在相應的點上。

2.2 地震力的計算

水平地震力的計算依據陣型分解反應譜法進行計算。項目設防烈度7度，地震加速度值0.15g，分組為第一組，場地類別II類。依據前面參數，特征周期值取0.35s。鍋爐結構基本自振周期可按《鍋爐鋼結構設計規范》7.3.11條近似公式計算，也可在有限元軟件中建模模擬。根據地震影響曲線，求底部地震作用FEK過程如下：

αmax—水平地震影響系數最大值。

Tg—特征周期。

T—自振周期。

G—結構重力荷載代表值。

α—地震影響系數。

依據上述公式得出支架的反應譜曲線。各層水平地震作用標準值和頂部附加水平地震作用標準值按高度與重量相應分配到各層。由于本鍋爐結構較為特殊，地震影響系數應分兩部分計算：爐前部分，主要荷載為吊掛荷載，此時考慮地震工況下，熱面會有一定的位移，可適當減小該部分地震影響系數；而爐后部分為常規結構按一般公式即可。

2.3 風荷載的計算

（1）風荷載按下列公式進行計算（見建筑結構荷載規范）。

WK=βzμsμzWo WK—風荷載標準值

Bz—Z高度處的風振系數 μs—風荷載的體型系數

μz—風壓高度變化系數 Wo—基本風壓

根據每層對應的受風面積把風載分配到每層相應節點。本項目風荷載較大，故需考慮鍋爐自重對風荷載的有利影響，依《建筑結構荷載規范》3.2.4條基本組合時增加一項組合：結合鍋爐行業特點永久荷載組合值系數取0.9，以削減自重的有利影響。風荷載標準工況下，支架層間位移角取h/400，來核算支架側向變形。

（2）考慮鍋爐工藝的特殊要求，鍋爐鋼支架的防雨僅限于外包受熱面部分，鋼支架為裸露。因此，分配鍋爐各受熱面的風荷載時，對爐前膜式壁部分應分配至各膜式壁的限位裝置上，而爐后部分則依據各層熱面的高度及寬度分配到各層梁柱節點。由于各熱面剖面均為矩形，風荷載體型系數可按1.3考慮，風壓高度變化系數則根據各熱面的高度依據《建筑荷載規范》8.2.1條采用，地面粗糙度按B類考慮。

2.4 STAAD有限元軟件建模計算過程介紹

利用鋼結構計算軟件STAAD進行建模分析，把各荷載作用在相應的節點上進行分析計算。根據不同的工況對鍋爐本體重量、平臺活載、風載、地震荷載進行組合，另尚應專門組合現場水壓試驗時的特殊工況。檢查各個桿件的內力變形及不同高度的位移。按照《鍋爐鋼結構設計規范》規定的結構水平位移容許值及梁撓度容許值驗算，按照桿件的強度設計值進行應力大小的校核；并對模型進行調整，直至安全經濟合理。依據《鍋爐鋼結構設計規范》5.15條對于鍋爐頂板主梁撓度限值取L/850，這對梁的要求很嚴，故此處要重點關注。如不滿足應調整梁截面，以免運行中出現主梁撓度過大情況。

圖1 鋼結構布置圖

2.5 構件的截面選取

對主受力的梁柱采取鋼板拼接的箱型結構，次梁可采用H型鋼，斜撐可根據荷載大小選用H型鋼或圓管。而各型鋼及H型鋼的選用應采用常用規格，以便采購。

2.6 節點分析及材料選用

鋼結構設計要注意節點的合理選用，節點對鍋爐鋼結構尤為重要。對于前部懸吊膜式壁的大梁應在工藝對應的熱面位置下方開孔，開孔需注意為上翼緣小下翼緣大，以考慮膜式壁運行過程中因熱膨脹引起的擺動（類似鐘擺運動）。另外，膜式壁對應的限位裝置應特殊考慮，除應考慮水平地震作用引起的側向應力，還應考慮風荷載時的影響，依據《構筑物抗震設計規范》5.4.1條兩者作用可不疊加。對于通風梁的設計，尚應根據煙氣溫度選用相應的耐熱材料或采取普通材料外包耐熱澆注料的形式隔熱，選用標準可參照《煙囪設計規范》中4.3.7條引用的歐標數據。另外，有斜撐處及集中荷載作用處（如支通風梁處）均應設置節點板以保證局部穩定。

3 項目總結

通過以上分析可知，此結構主承重部分為頂部梁及尾部通風梁下的支撐梁，荷載分析時主要調整這些梁的截面，因為這些梁下方均有垂直支撐，故可以抵抗水平力的影響使鋼架位移滿足規范要求。而對于左側第二排柱子的水平位移控制，則以添加水平支撐為主。另外，由于項目處地震烈度和風壓都很大的區域，需在主要水平力作用點附近增加支撐以抵抗其影響，使結構的整體穩定性大大提高，而同時合理的布置又能使梁柱等桿件的截面大大減小，提高了鋼結構的經濟性。

4 結構設計的思考

結構設計分門別類包括民用、工業、混凝土、鋼結構、大跨結構、等。所以，作為一名設計人員需精通各種結構力學、材料力學、理論力學等，這些是我們做好結構的基礎，有此基礎后再拓寬知識面，涉獵較多的專業規范和不同的項目，多思考、多分析。

目前結構軟件發展飛快，也讓很多設計人員過于依賴軟件，我們應保持足夠的手算能力和把復雜結構轉化為對應的簡單力學模型的能力，在軟件之外進行適當的人工干預，這樣才能把結構設計做得更合理。