火电厂综合管架的分析与设计

王 孟 秋

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)



火电厂综合管架的分析与设计

王 孟 秋

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

结合某火电厂工程的实际情况，选取了火电厂综合管架的结构形式，通过建立结构模型，对该管架结构进行了受力分析计算，并提出了火电厂地基处理和基础设计方法，以供类似工程参考。

火电厂，管架，结构分析，地基处理

1 工程概况

离石大土河2×35万kW低热值煤热电联产工程建设规模为2×350 MW超临界直接空冷供热机组。本工程厂址位于离石区城区东北约13 km的回龙塔村北侧，山西省吕梁市离石区信义镇信义工业园区内。本工程地震设防烈度为6度；地震动峰值加速度为0.05g；场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，特征周期0.45 s；基本风压0.45 kN/m2(50年一遇),地面粗糙度类别为B类。厂址区土壤最大冻结深度104 cm。综合管架区域地下水深度8 m以上,且部分区域为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地、部分区域为非湿陷性场地。

2 结构选型

综合管架上布置有输灰管道、蒸汽管道、燃油管道和电缆桥架等。图1为一个典型的管架上管道布置剖面图。根据各专业所提供的资料得知：输灰管道支点跨度为6 m、蒸汽管道的支点跨度也为6 m、燃油管道支点跨度为3 m、电缆桥架支点跨度不大于2 m。由于以上管道和电缆的竖向(水平)荷载都不是很大，管架结构形式采用大跨度管桁架结构。钢柱和桁架的上、下弦杆采用钢管，在管道的支点处设横向H型小钢梁。两腿钢柱之间设钢管斜撑抵抗横向水平力，在管道的固定点处设四腿的格构柱抵抗纵向水平力。

3 结构分析计算

3.1 设计条件概述

该厂区位于山区，场地标高起伏比较大，厂区南侧和北侧之间有一个5 m多高的护坡，南侧低，北侧高。护坡北侧综合管架顶距地9 m多，由于综合管架上主要管道是输灰的8根管，管道从北侧过来连接护坡南侧的灰库，根据除灰工艺要求，在护坡处管道不能向下走，只能水平走，因此护坡南侧综合管架顶距地达14 m多。在护坡上部第一个管架处根据规范[1]要求设了一个伸缩缝将管架结构断开。本文仅对从灰库至护坡顶处这段高管架进行计算分析。

3.2 结构建模

采用有限元计算分析软件MIDAS进行上部结构计算，用世纪旗云结构设计工具箱软件来计算管架的联合基础。依据工艺资料用MIDAS建立模型。均采用Q235钢材，柱、桁架上/下弦杆件和斜撑等采用钢管；支撑管道的横梁采用小H型钢。柱、桁架上/下弦、支撑管道的横向H型钢采用“梁单元”；柱间支撑、桁架上/下弦平面外支撑，桁架腹杆采用“桁架单元”。桁架上/下弦杆件的两端与柱连接处释放梁端弯矩约束。在每个柱子的底部均添加固定支座。建模得到的整个结构模型如图2所示。

3.3 添加荷载

定义三种静力荷载工况：恒载工况、活载工况和风载工况。首先将结构的自重定义为向下的恒荷载；其次将管架上的管道和电缆等的竖向荷载也定义为向下的恒荷载，将它们添加到小H型钢的梁单元上。将管道的轴向推力定义为水平的活荷载添加到小H型钢的梁单元上。由于管架比较长，管道的水平力可能方向相反相互抵消一部分，但计算中保守的确定管道的水平力均朝一个方向，并且没有考虑管道之间的牵制系数，以此来计算柱、梁和支撑等构件，这样的假设提高了结构的安全度。定义横向风荷载添加到桁架上弦的梁单元上。根据本工程的设防烈度、场地类别、地震分组等参数定义地震反应谱函数，据此再定义纵向和横向的两个方向的地震荷载工况。只将恒荷载转化为质量，比例系数取1.0。

3.4 结构的计算和分析

结构在各荷载工况下进行计算，阻尼比取0.02，然后根据规范[2]进行荷载组合。随后进行钢结构构件验算，根据各个构件的应力比调整和优化结构构件的截面尺寸，使各构件既满足结构的强度、稳定性、长细比等要求，又不太浪费。调整后最终确定的结构构件截面如表1所示。

表1 管架结构构件截面尺寸

对于结构在荷载作用下的变形，规范[1]规定主要有两个限值：1)管道支架(桁架)的允许挠度值不应大于l0/500。2)钢结构管道支架柱在风荷载作用下沿横向产生的柱顶点位移与总高度之比不宜大于1/250。

由于主要是由恒荷载引起桁架的竖向弯曲变形，所以只提取结构在恒荷载工况下的竖向变形值。分析得到各跨跨中最大的挠度为1/1 146，远低于规范限值。提取结构在风荷载工况作用下的横向柱顶位移值，得到柱顶点位移与总高度之比的最大值为1/4 850，也远低于规范限值。以上分析说明本管架结构满足规范的变形要求。

3.5 地基处理和基础的设计

根据岩土工程勘测报告，场地内原状土①-2层素填土、②-1层黄土(粉土)为Ⅱ级自重湿陷性黄土。此段管架处于原状土挖方区(挖土约7 m厚)，挖土场平后还有湿陷性黄土层约5 m厚。基础埋深2 m，地基处理采用基础下换填1 m厚3∶7灰土，灰土宽出基础边1 m(如基础底面1 m以下还有杂填土应全部挖出，用3∶7灰土分层夯实回填至基础底标高)。换填处理后地基承载力不小于150 kPa。

钢柱同基础混凝土短柱的连接做法采用插入式杯口基础。基础采用两柱(或四柱)的联合基础，用世纪旗云结构设计工具箱软件来计算管架的联合基础。根据管架柱脚的位置在世纪旗云中输入基础短柱位置和基础尺寸等条件。分别提取MIDAS模型中在恒荷载、活荷载、横向风荷载、纵向地震荷载、横向地震荷载等单独荷载工况下的各柱的柱底反力，将上述各单独工况下的柱底反力作为多工况下的荷载标准值输入到世纪旗云中，然后利用世纪旗云软件进行在各荷载工况下的计算，并且根据规范[2]进行荷载组合。利用上述计算组合结果进行基础截面承载力计算校核和地基承载力校核，使地基基础满足设计要求。

[1] DL 5022—2012，火力发电厂土建结构设计技术规程[S].

[2] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

Analysis and design of the comprehensive pipe frame of heat-engine plant

Wang Mengqiu

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with actual heat-engine plant engineering conditions,the paper selects comprehensive pipe frame structure form of the heat-engine plant.Through establishing structural model,it carries out stress analysis calculation for the pipe frame structure,and puts forward foundation processing and foundation design methods of the heat-engine plant,with a view to provide some guidance for similar engineering.

heat-engine plant,pipe frame,structural analysis,foundation treatment

1009-6825(2016)29-0044-02

2016-08-04

王孟秋(1976- )，男，工程师

TU318

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