循環流化床改爐排爐項目的爐前平臺結構改造研究

龍吉生 文國想

（1 上海康恒環境股份有限公司 上海 201703 2 上海生活垃圾焚燒處理技術及裝備工程研究中心 上海 201703）

0 引言

2000 年至2014 年前后，是國內流化床垃圾焚燒爐項目發展的高峰期。在這段時間內，流化床爐由于實現國產化、造價投資低、低NOx 焚燒技術等優勢［1］，迅速占領了國內大半的市場份額。截至2019 年底，國內已運行的流化床垃圾焚燒爐有160 余臺，日處理垃圾近7.3 萬t，為我國垃圾處理行業作出了巨大的貢獻［2］。如今，在不斷變化的市場情況以及日益提高的環保壓力下，流化床爐型的弊端日益凸顯，面臨著環保不達標、設備老舊、處理能力不足等眾多不利因素［3］，因而大量采用循環流化床工藝的老舊項目有改造為更先進爐排爐的需求。目前針對流化床改爐排爐項目的結構改造研究較少，影響了此類改造項目的開展和實施。本文通過對循環流化床改爐排爐項目中常見的輸煤跨的局部拆除、投料口和爐前平臺局部拆除、爐前平臺抽柱改造進行研究，了解這些改造措施對結構所產生的不利影響，為后續此類項目的結構改造方案設計提供技術支持，具有比較重要的現實意義。

1 研究內容與方法

本文以某個典型循環流化床項目的主廠房垃圾貯坑區域結構為研究對象，該區域為鋼筋混凝土框排架-抗震墻結構［4］。針對其在改造為爐排爐時按順序進行的輸煤跨局部拆除、投料口和爐前平臺局部拆除、爐前平臺抽柱3 種改造措施，如圖1 所示，分別進行空間有限元建模計算，并且與未改造前的原有結構模型進行對比分析，研究上述3 項改造措施對垃圾貯坑和改造區域四周框架受力的影響，以及對結構整體計算指標的影響。上述各結構計算模型詳見表1。此外，本文雖然選取了某個具體項目作為研究對象，但是該項目主廠房垃圾貯坑區域的結構布置在眾多循環流化床項目中具有比較典型的代表性，并且這3 種改造措施也是在眾多循環流化床改造項目中普遍采用的改造措施，因此本文的研究結果對大部分類似的改造項目均具有借鑒意義。

圖1 某典型循環流化床項目的主廠房垃圾貯坑區域局部結構改造示意圖

表1 結構分析模型整理表

2 結果與討論

采用YJK 軟件對上述模型分別進行空間有限元分析，比較各模型中垃圾貯坑和改造區域周圍框架柱所承受的荷載以及結構整體指標的計算結果，定性研究上述3 種改造措施對原有結構的影響。

2.1 對垃圾貯坑受力的影響

輸煤跨和爐前平臺作為垃圾貯坑的抗側力構件，局部拆除改造時，勢必會對垃圾貯坑的受力產生影響。圖2 所示為上述4 個模型中垃圾貯坑靠近爐前平臺一側的池壁底部，在活荷載單工況作用下的彎矩計算結果。圖3 所示為上述4 個模型中垃圾貯坑靠近爐前平臺跨一側池壁中間部位，在活荷載單工況作用下的水平變形沿高度方向的分布情況。對比分析圖2 和圖3 中的彎矩和變形結果可知，本文研究的3 種改造措施對垃圾貯坑的受力和變形均有明顯的影響，并且改造措施實施的越多，對垃圾貯坑受力和變形的影響越大；同時各改造措施對垃圾貯坑中間部位的影響，比對靠近兩端部位的影響更大。對比圖中彎矩和變形的相對變化幅度可知，模型3 中的改造措施對垃圾貯坑受力和變形的影響更大一些，可見當進行3 種改造措施對垃圾貯坑結構影響大小的橫向對比時，投料口和爐前平臺局部拆除改造的影響相對最大。輸煤跨及爐前平臺跨的框架和樓面對垃圾貯坑而言，均為其抗側力構件，并且共同構成了垃圾貯坑在爐前平臺一側的抗側力體系［5］。當進行上述3 種局部的拆除改造時，均會削弱抗側力體系的整體剛度，造成垃圾貯坑池壁受力和變形增大。但是相對而言，樓面因其本身的剛度較大，局部拆除時，爐前平臺的樓面被截斷成不連續的幾塊，其整體的水平剛度嚴重喪失，對整個抗側力體系的削弱作用非常顯著。而輸煤跨局部拆除時，雖然對整個抗側力體系也有削弱，但是仍有爐前平臺跨支撐垃圾貯坑，造成的剛度損失只占整個抗側力體系較小的一部分，因此該改造措施對垃圾貯坑池壁受力的影響相對較小。最后，當拆除與焚燒爐沖突的爐前平臺柱及與之相連的框架梁時，整個抗側力體系雖有削弱，但是由于模型3 中已經拆除了該區域的樓面，剩余框架的剛度相對較小，拆除后對整個抗側力體系和垃圾貯坑池壁受力的影響也相對較小。

圖2 垃圾貯坑池壁底部彎矩（My）分布示意圖

圖3 垃圾貯坑中間位置池壁水平變形分布示意圖

2.2 對改造區域周邊框架柱受力的影響

統計各模型分析結果中，爐前平臺和輸煤跨框架柱柱底所承受的最大荷載設計值，詳見表2。對比分析各模型的柱底荷載可知，上述3 種改造措施對周邊框架柱所承受的荷載均有影響。其中輸煤跨局部拆除以及投料口和爐前平臺局部拆除時，與拆除區域相鄰的框架柱KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 軸力均明顯減小。這是因為局部樓面拆除后，樓面四周框架柱所承擔的樓面自重和樓面豎向荷載減小，柱底軸力也相應減小。對比KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 柱底X 向剪力和Y 向彎矩可知，當輸煤跨局部拆除以及投料口和爐前平臺局部拆除時，柱底X 向剪力和Y 向彎矩明顯增大，并且靠近垃圾貯坑中間區域的KZ3、KZ4、KZ9 和KZ10 柱底荷載增幅比靠近垃圾貯坑兩端區域的KZ2、KZ5、KZ8 和KZ11 要大的多。分析可知，輸煤跨及爐前平臺跨的框架和樓面作為垃圾貯坑的抗側力構件，局部拆除后造成整個抗側力體系的抗側剛度降低，在垃圾貯坑水平堆載不變的情況下，各框架柱需要承擔更大的水平荷載，造成柱底X 向剪力和Y 向彎矩增大。同時由于垃圾貯坑中間區域的水平變形相對于兩端區域更大，抗側力構件的水平變形也相對于兩端區域更大，反映到柱底的情況就是X 向剪力和Y 向彎矩的增幅更大，這與前文分析的垃圾貯坑池壁底部彎矩的增大趨勢是一致的。并且由于投料口和爐前平臺局部拆除時，對整個抗側力體系剛度的影響相對于其余2 種改造措施更大，引起的柱底X 向剪力和Y 向彎矩的增幅也相對更大，這也與前文分析的垃圾貯坑池壁底部彎矩增大趨勢一致。總而言之，本文研究的3 種改造措施對爐前平臺和輸煤跨框架柱的受力均有影響，同一種改造措施對不同區域的柱底荷載有不同程度的影響，其中對靠近垃圾貯坑中間區域柱子的影響比靠近垃圾貯坑兩端區域柱子的影響更大；不同的改造措施對同一根柱子的受力影響也不一樣，相對而言投料口和爐前平臺局部拆除改造比另外2 種改造措施造成的影響更大。

2.3 對結構整體計算指標的影響

統計各模型計算結果，主要結構整體計算指標值見表3。對比各模型的結構自振周期可知，上述3 種改造措施均會影響到結構自振周期的大小。根據結構動力學原理，單自由度結構的自振周期可按式（1）計算［6］。

表3 各模型主要的結構整體計算指標值整理表

本文研究的結構對象雖然不是單自由度，但是質量和剛度對自振周期影響仍遵循式（1）中的規律，結構的自振周期T與其本身的剛度K 成反比，與參與振動的質量m 成正比。當拆除局部的結構構件時，結構的整體剛度減小，結構的參振質量也會減小。但是根據表3 中結構自振周期的變化趨勢可知，從模型1 到模型4 隨著各項改造措施的實施，結構的自振周期逐漸變大，這說明本文研究模型的參振質量m 與結構本身剛度K 的比值，是隨著各項改造措施的實施而逐漸增大的。對比各模型的最大層間位移角和頂層最大層平均位移計算結果可知，上述3 種改造措施均會影響到結構變形的大小。從模型1到模型4，隨著各改造措施的實施，拆除的結構構件越來越多，整體的結構剛度越來越小，結構頂層的最大層平均位移越來越大，最大層間位移角也越來越大。對比各模型底層地震剪力和底層抗剪承載力的計算結果可知，從模型1 到模型4 隨著各項改造措施的實施，底層的抗剪承載力和地震剪力均隨之減小。分析可知，底層抗剪承載力降低的原因是由于底層的抗剪構件隨著改造措施的實施變得越來越少，而底層地震剪力降低的原因在于結構等效總重力荷載的減小和結構剛度的降低［7］。《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［8］中關于采用底部剪力法計算水平地震作用的公式見式（2）。

式中：Geq為整體結構的等效總重力荷載值，包含結構全部的自重及其所承受的豎向恒活荷載的代表值，當結構局部拆除時，不僅結構自重減小，作用在所拆除結構上的豎向恒活荷載也相應取消，在沒有增加其他荷載的情況下，結構的等效總重力荷載值一定是減小的；α1為相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數。

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）第5.1.5 條的規定，當結構的自振周期T 在場地特征周期Tg的1 倍到5 倍之間時，α1值與T 值成反比。從模型1 到模型4 隨著結構整體剛度的降低，T 值逐漸增大，α1值逐漸減小。綜合上述Geq值和α1值的變化趨勢可知，結構底層的地震剪力Fek隨各項改造措施的實施而逐漸減小。

3 結論

在循環流化床改爐排爐項目中，輸煤跨的局部拆除、投料口和爐前平臺局部拆除、爐前平臺抽柱這3 種最常見的改造措施，對主廠房垃圾貯坑、改造區域附近框架的受力以及結構的整體計算指標都有著明顯的影響，歸納有如下趨勢。

（1）3 種改造措施均會削弱垃圾貯坑的抗側承載力并增大垃圾貯坑池壁承受的荷載，并且隨著各項改造措施的實施，削弱作用越來越強，垃圾貯坑池壁承受的荷載越來越大，其中投料口和爐前平臺局部拆除在3 種改造措施中對垃圾貯坑的抗側承載力和受力影響相對最大。

（2）3 種改造措施均會影響改造區域周圍框架的受力情況，特別是對靠近垃圾貯坑中間區域的框架柱，影響更加顯著。隨著各項改造措施的實施，框架柱所承擔的X 向剪力和Y向彎矩越來越大。

（3）本文研究的3 種常見改造措施，對結構的整體計算指標如自振周期、結構變形、底層的抗剪承載力和地震剪力等均有明顯的影響。隨著各項改造措施的實施，結構的自振周期和變形越來越大，底層的抗剪承載力和地震剪力越來越小。

（4）在進行類似項目的爐前平臺改造方案設計時，應兼顧對結構局部和整體的影響。