新加坡某9.9 MW生物质发电锅炉支撑钢结构设计分析

□□ ，

(1.山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006；2.北京德普新源科技发展有限公司，北京 100027)

引言

新加坡某发电厂是综合利用当地丰富的建筑、装修、包装、园林修剪产生的木质类生物质废弃物作为燃料，采用燃用生物质燃料的45 t/h振动炉排次高温次高压锅炉，配9.9 MW凝汽式汽轮发电机组。主要环境条件为：50年一遇，10 m高、10 min平均最大风速：18 m/s；最大日降雨量：513 mm；地震烈度：4度；场地类别：Ⅲ类。

该项目锅炉支撑钢结构采用框架支撑结构体系，在X向，Y向设置垂直支撑，并在结构顶部设置水平支撑体系。结构高度23 m，建筑高度26 m(屋顶高度)，长×宽=32 m×13.5 m，结构效果图见图1。钢结构设计按美国ANSI/AISC 360-05，An American National Standard，Specification for Structural Steel Buildings[1](以下简称AISC-360-05)标准设计，并使用满足新加坡建设局(Building & Construction Authority，以下简称BCA)的标准BCA ACADEMY(BC 1：2008)中允许的中国国内标号型材。

1 结构方案选择

根据工艺、设备的特点及结构的不规则性，在结构方案阶段，向业主提供了两种可选方案，一种是双向刚接的纯框架结构体系，另一种是在X向，Y向设置垂直支撑的框架支撑结构体系。

对两种方案的比较如下：

图1 结构效果图

(1)在水平力作用下，两种方案在柱顶及层间位移的控制方面均满足AISC-360-05附录L章L4.DRIFT中H(h)/200-H(h)/600的要求，但第二种方案明显优于第一种方案。

(2)结构体量不大，第一种方案由于未采用垂直支撑，其用钢量明显优于第二种方案。

(3)在水平力作用下，第一种方案中有约1/3(8根)的柱脚产生>700 kN的上拔力，第二种方案通过布置垂直支撑，仅3根柱就产生了>700 kN的上拔力。因建设场地狭小等因素制约，上拔力只能通过增加基础埋深的方法解决。

依据BCA的要求，在新加坡当地施工，当基坑深度>1.5 m时需到BCA报备及审批，且安装实时监测系统。考虑到现场施工的便捷及成本控制，业主及新加坡土木设计单位要求采用第二种方案，即该锅炉支撑钢结构采用框架支撑结构体系。

2 结构分析

在AISC-360-05中包括两种设计方法：许可应力设计法(Allowable Stress Design，ASD)与荷载抗力分项系数设计法(Load and Resistance Factor Design Specification，LRFD)，其分别对应不同的荷载组合(见表1)，详细荷载组合及规定可参考《2006国际建筑规范》(2006 International Building Code[2])中1605章节的内容。

表1 ASD法与LRFD法对应不同的荷载组合对比[1-2]

在该钢结构设计过程中，通过STAAD.PRO建模进行分析和计算。因业主未确定按何种规范方法进行设计，故分别按许可应力设计法(ASD)和荷载抗力分项系数设计法(LRFD)对计算结果进行校核，并对校核结果进行了比较，如图2和图3所示。

图2 许可应力设计法(ASD)校核结果

图3 荷载抗力分项系数设计法(LRFD)校核结果

采用ASD方法设计，该结构应力比值(Actual Ratio)>0.85的构件有24根，如图4所示。

采用LRFD方法设计，该结构应力比值(Actual Ratio)>0.85的构件为0根(计算结果截图从略)。

由图4可知，采用许可应力设计法(ASD)的校核结果，实际应力(Actual Ratio)>1的为编号556、567、1110、1113、1068共5根构件。

图4 ASD法下失效构件列表

选取梁、柱、支撑各两根，分别比较在ASD和LRFD设计方法下的应力比，结果见表2。

表2 在ASD和LRFD设计方法下的应力比

通过对表2中6组数据的比较可以发现，荷载抗力分项系数设计法(LRFD)所得构件与许可应力设计法(ASD)所得构件的比值大致在0.8左右。

依据两种设计方法的校核结果可知：在允许应力比值(Allowable Ratio)控制在0.85的条件下，荷载抗力分项系数设计法(LRFD)全部构件满足设计要求，许可应力设计法(ASD)有24根构件不满足设计要求。在允许应力比值(Allowable Ratio)控制在1.0的条件下，荷载抗力分项系数设计法(LRFD)全部构件满足设计要求，许可应力设计法(ASD)仅有5根构件不满足设计要求。

3 结语

在适当的安全储备条件下(控制适当的许可应力比值)，许可应力设计法(ASD)和荷载抗力分项系数设计法(LRFD)这两种设计方法均可满足设计要求，只是许可应力设计法(ASD)的设计结果较荷载抗力分项系数设计法(LRFD)的设计结果偏保守；通过数量有限的构件进行比较，两者校核结果的应力比值相差大致在20%左右。采用应力设计法(ASD)所得结果完全满足荷载抗力分项系数设计法(LRFD)的要求。

本文是在所有构件满足长细比条件下，对应力比值问题进行讨论。在实际工程设计中，柱、支撑等受压构件在很多情况下由构件长细比控制，限于篇幅，本文未涉及长细比方面的内容。此外，本文仅是对两种设计方法校核结果在STAAD.PRO计算结果下的简单比较，对于AISC-360-05中两种设计方法原理的不同未作出说明。

参考文献：

[1] ANSI/AISC 360-05，AnAmericanNationalStandard，SpecificationforStructuralSteelBuildings[S].

[2] 2006InternationalBuildingCode[S].USA：International Code Council INC.，2006.