火电厂烟气脱硝系统支承结构方案和性能分析

汪 蔚，曹平周，刘 成

(河海大学土木与交通学院，江苏南京210098)

我国正在全面增建既有火电厂的烟气脱硝系统。烟气脱硝反应器(SCR)的支承结构是保证脱硝系统安全工作的关键，合理经济的结构选择和设计对项目经济指标具有重要影响。文中结合华中某火电厂烟气脱硝系统支承结构设计，提出了3个结构设计方案，通过对比分析三者的受力情况，经济性和抗震性能，选取合理经济的结构方案，供实际工程建设参考。

1 工程概况与结构分析模型

SCR脱硝反应器支架采用框架支撑结构。烟道、反应器荷载作用于支承结构上，支承结构顶部标高为36.870 m。场地类别为I类，该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05 g(第1组，g为重力加速度)，特征周期为0.25 s，基本风压为 0.35 kN/m2。

1.1 结构选择

本项目已完成钢框架支撑结构(以下称为方案1)的结构设计，为选择经济合理的结构方案，文中提出圆钢管混凝土柱-钢梁组合结构(以下称为方案2)和方钢管混凝土柱-钢梁组合结构(以下称为方案3)方案进行分析研究与设计［1］。工艺设计对结构布置有严格限制，两个新方案皆按照全钢结构设计完成的结构布置布设梁和柱。

1.2 构件及截面选择

柱设计时，方案1根据各层柱的荷载情况，采用一至二次变截面焊接工字形钢柱，方案2与方案3分别采用了一次变截面圆、方钢管柱，内灌强度等级为C40的混凝土。在梁的选择上，受力较小的梁选用热轧H型窄翼缘钢;其他梁选用焊接工字形截面梁，翼缘和腹板均由抗震等级划分的宽厚比限值确定，以满足局部稳定性要求［2］。

1.3 结构建模

根据项目所给的SCR反应器体型及荷载分布情况，各类支架所在位置及荷载分布情况，检修平台、CEMS小间及电气配电间的位置及荷载分布情况在对应位置处建立梁系［3］，并根据梁和支撑的分布情况将结构分为9个柱段，柱段编号及其对应标高见表1。

表1 柱段编号及其对应标高Tab.1 Number of the column sections and elevations

文中分别采用PKPM和SAP2000建立空间结构模型，相互校验，分析计算空间体系各部分应力和位移，参照相关规范与标准进行结构设计［2-5］。所建结构空间模型如图1所示。

图1 方案1脱硝支架结构空间模型Fig.1 Spacemodel of the denitration bracket structure of project one

由于3个方案的模型在建成之后需要进行对比，故在方案1模型验算完成之后，应使得方案2和方案3所建模型每个空间位置上的钢梁在计算软件中计算所得正应力、剪应力、稳定验算应力和对应承载力的比值与原方案中比值基本相同。

2 3种方案经济性分析

2.1 梁经济性分析

3种方案设计计算采用的钢梁截面见表2。表2中由于采用钢管混凝土柱后梁柱所受荷载比例发生改变，为保持3个方案对应位置处梁的应力比基本相同，后两个方案修改了部分截面尺寸。

3种方案各类梁最大正应力、剪应力、稳定验算应力与对应承载力的比值［4-6］如图2～图4所示。图2～图4中，方案2的数据取自该方案各类梁截面在所有位置上应力比的最大值，以最大值所在位置为基准，选取同一位置处另外两个方案钢梁截面的应力比进行对比。由图2～图4可以看出，3种方案同一位置的最大应力比基本接近，满足设计要求。

3种方案钢梁的用钢量对比情况见表3。选用方、圆钢管混凝土柱后，大部分与柱直接连接的主梁截面尺寸有所减小。方案2的用钢量比方案1约减少4.4%，约10 t。该结构用于支承工业设备，梁截面高度减小将有利于设备安装布置［7］。

表2 3个方案钢梁截面Tab.2 Steel beam sections of the three projects

图4 3种方案最大稳定验算应力比Fig.4 Maximum stable stress ratio of three projects

表3 3种方案钢梁用钢量对比Tab.3 Comparison on steel consum ption of steel beams of three projects

图2 3种方案最大正应力比Fig.2 Maximum positive stress ratio of three projects

2.2 柱经济性分析

3种方案所采用的柱截面尺寸见表4，为提高柱截面承载力利用率，减少用钢量，方案1根据各柱段荷载情况，采用了3种焊接工字形钢柱;方案2和方案3分别采用了一次变截面圆、方钢管柱，内灌强度等级为C40的混凝土。

图3 3种方案最大剪应力比Fig.3 Maximum shear stress ratio of three projects

表4 3种方案柱截面Tab.4 Column sections of the three projects

对3种方案中结构A轴线与3，4轴线相交柱子ZA3，ZA4的轴压比进行对比，具体结果如图5和图6所示。

图5 3种方案ZA3各柱段轴压比Fig.5 Axial com pression ratio in every column section of ZA3 of the three projects

图6 3种方案ZA4各柱段轴压比Fig.6 Axial compression ratio in every column section of ZA4 of the three projects

由图5～图6可见，3种方案中柱的轴压比［4-6］较为接近，其中方钢管柱的轴压比最小，截面承载力利用率最低。

分别对方案1和方案3中结构A轴线与3轴线相交柱子ZA3的强度应力比和平面内、平面外稳定应力比进行对比［4，6］，具体结果如图7～图9所示。

由图7～图9可见，方案3的正应力比小于方案1，部分构件应力比甚至相差0.24。因柱类型变化所导致的用钢量变化情况见表5。根据图5～图6和表5可知，在柱子轴压比相近的情况下，采用圆钢管混凝土柱比采用钢柱减小一半的用钢量，约41.82 t，采用方钢管混凝土柱比采用钢柱减少三分之一的用钢量，约 29.01 t。

图7 2种方案ZA3各柱段正应力比Fig.7 Positive stress ratio in every colum n section of ZA3 of the two projects

图8 2种方案ZA3各柱段平面内稳定应力比Fig.8 In-p lane stable stress ratio in every column section of ZA3 of the two projects

图9 2种方案ZA3各柱段平面外稳定应力比Fig.9 Out-p lane stable stress ratio in every colum nsection of ZA3 of the two projects

表5 3个方案柱子用钢量对比Tab.5 Comparison on steel consum ption of columns of three projects

考虑加工制作、运输、建造各方面因素，钢材和混凝土分别按1万元/t和480元/m3的单价对3个方案的工程造价进行计算［7］，方案1柱子的造价约为79.86万元，方案2约为38.44万元，比方案1节约48.1%，约41.42万元;方案3约为51.23万元，比方案1节约35.9%，约28.63万元。对比分析可见，方案2的经济性最好。

2.3 整体结构经济性分析

整体结构用钢量及造价对比情况见表6。从整体结构来看，相对于方案1，方案2可节约用钢量和造价17%，方案3可节约用钢量和造价13%。因此， 方案2经济性最好。

表6 整体结构用钢量及造价对比Tab.6 Com parisons of steel consum ption and cost of the integral structures

3 3种结构方案抗震性能分析

3.1 结构自振周期和振型分析

用SATWE计算出3种结构方案的自振周期(见表7)。

由图10可见，前三阶振型分别表现为沿X，Y方向的整体平动和整体扭转。3个结构在相同振型中的形态曲线和振型特征比较相似，而扭转振型在第三阶出现，满足高层建筑设计规范中所规定的一、二阶振型不能为以扭转振型为主的要求［2，8］。

3.2 结构位移分析

3种方案在单向地震作用下产生的最大水平位移曲线如图11所示。

表7 结构自振周期Tab.7 Natural vibration periods of the structures

由表7可见，组合结构方案的自振周期比原方案小，且振型略稀疏，但3种方案各周期之间的规律性基本一致［8］。由于钢管混凝土柱的刚度比钢柱大，故结构的自振周期变小。

3种方案前三阶振型结构空间振动简图如图10所示。

图10 3种方案前三阶振型结构空间振动简图Fig.10 Space vibration diagram s of the three order vibration graphs of three project

图11 X，Y方向最大水平位移曲线Fig.11 Maximum horizontal disp lacement of X，Ydirection

由图11可见，在X方向地震作用下，3个方案沿X方向每个柱段的水平位移值基本相同，而在Y方向地震作用下，方钢管混凝土柱方案所产生的水平位移比其他两种方案要小。

3种方案在单向地震作用下所产生的最大顶点位移和最大层间位移角见表8。

表8 3种方案单向地震作用下最大顶点位移及最大层间位移角Tab.8 Ultim ate top Displacement and inter-story disp lacement angle under single-com ponent earthquake action of the three projects

在采用钢管混凝土柱形成组合结构之后，结构刚度增大可使结构在地震作用下的水平位移减小，有利于内部设备的安全。3种方案的结构水平位移变化规律基本一致，方案3的层间位移角最小，可更好地防止地震作用下结构内部设备的变形或破坏。

3.3 结构受力分析

地震作用下，构件内部的应力越小，结构的变形和损伤越小，结构的抗震性能越好。图12和图13分别给出了3种方案在单向地震作用下柱子ZA3各柱段底部所产生的正应力和剪应力分布曲线。

图12 X，Y方向地震作用下3种方案ZA3正应力Fig.12 Positive stress of ZA3 under X，Ydirection earthquake action of the three projects

图13 X，Y方向地震作用下3种方案ZA3剪应力Fig.13 Shear stress of ZA3 under X，Ydirection earthquake action of the three projects

由图12和图13可见，方案1的正应力和剪应力都大于组合结构方案［9］，而两种组合结构方案之间的差距较小。与钢结构方案相比，钢管混凝土柱有较大的截面面积来提供更大的刚度和承载力，从而提高结构的抗震性能［10］。建议优先采用组合结构方案。

4 结语

当火电厂烟气脱硝系统支承结构的结构布置方案相同时，与钢结构方案相比，采用圆钢管混凝土柱与钢梁方案可降低用钢量和造价17%，采用方钢管混凝土柱与钢梁方案可降低用钢量和造价13%。圆钢管混凝土柱与钢梁方案的经济性最好。

圆、方钢管混凝土柱组合结构的自振周期比钢结构小，振型略稀疏。3种结构方案各周期之间的规律性基本一致，在相同振型中的形态曲线和振型特征也相似。3种方案中方钢管混凝土柱方案的顶点位移和层间位移角最小，圆、方钢管混凝土柱的应力小于钢柱。在3种方案中，圆、方钢管混凝土柱组合结构比全钢结构方案具有更大的刚度和承载能力，抗震性能更好。

建议设计时优先采用圆钢管混凝土柱与钢梁的组合结构方案。

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