循环流化床改炉排炉项目的炉前平台结构改造研究

龙吉生 文国想

（1 上海康恒环境股份有限公司 上海 201703 2 上海生活垃圾焚烧处理技术及装备工程研究中心 上海 201703）

0 引言

2000 年至2014 年前后，是国内流化床垃圾焚烧炉项目发展的高峰期。在这段时间内，流化床炉由于实现国产化、造价投资低、低NOx 焚烧技术等优势［1］，迅速占领了国内大半的市场份额。截至2019 年底，国内已运行的流化床垃圾焚烧炉有160 余台，日处理垃圾近7.3 万t，为我国垃圾处理行业作出了巨大的贡献［2］。如今，在不断变化的市场情况以及日益提高的环保压力下，流化床炉型的弊端日益凸显，面临着环保不达标、设备老旧、处理能力不足等众多不利因素［3］，因而大量采用循环流化床工艺的老旧项目有改造为更先进炉排炉的需求。目前针对流化床改炉排炉项目的结构改造研究较少，影响了此类改造项目的开展和实施。本文通过对循环流化床改炉排炉项目中常见的输煤跨的局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱改造进行研究，了解这些改造措施对结构所产生的不利影响，为后续此类项目的结构改造方案设计提供技术支持，具有比较重要的现实意义。

1 研究内容与方法

本文以某个典型循环流化床项目的主厂房垃圾贮坑区域结构为研究对象，该区域为钢筋混凝土框排架-抗震墙结构［4］。针对其在改造为炉排炉时按顺序进行的输煤跨局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱3 种改造措施，如图1 所示，分别进行空间有限元建模计算，并且与未改造前的原有结构模型进行对比分析，研究上述3 项改造措施对垃圾贮坑和改造区域四周框架受力的影响，以及对结构整体计算指标的影响。上述各结构计算模型详见表1。此外，本文虽然选取了某个具体项目作为研究对象，但是该项目主厂房垃圾贮坑区域的结构布置在众多循环流化床项目中具有比较典型的代表性，并且这3 种改造措施也是在众多循环流化床改造项目中普遍采用的改造措施，因此本文的研究结果对大部分类似的改造项目均具有借鉴意义。

图1 某典型循环流化床项目的主厂房垃圾贮坑区域局部结构改造示意图

表1 结构分析模型整理表

2 结果与讨论

采用YJK 软件对上述模型分别进行空间有限元分析，比较各模型中垃圾贮坑和改造区域周围框架柱所承受的荷载以及结构整体指标的计算结果，定性研究上述3 种改造措施对原有结构的影响。

2.1 对垃圾贮坑受力的影响

输煤跨和炉前平台作为垃圾贮坑的抗侧力构件，局部拆除改造时，势必会对垃圾贮坑的受力产生影响。图2 所示为上述4 个模型中垃圾贮坑靠近炉前平台一侧的池壁底部，在活荷载单工况作用下的弯矩计算结果。图3 所示为上述4 个模型中垃圾贮坑靠近炉前平台跨一侧池壁中间部位，在活荷载单工况作用下的水平变形沿高度方向的分布情况。对比分析图2 和图3 中的弯矩和变形结果可知，本文研究的3 种改造措施对垃圾贮坑的受力和变形均有明显的影响，并且改造措施实施的越多，对垃圾贮坑受力和变形的影响越大；同时各改造措施对垃圾贮坑中间部位的影响，比对靠近两端部位的影响更大。对比图中弯矩和变形的相对变化幅度可知，模型3 中的改造措施对垃圾贮坑受力和变形的影响更大一些，可见当进行3 种改造措施对垃圾贮坑结构影响大小的横向对比时，投料口和炉前平台局部拆除改造的影响相对最大。输煤跨及炉前平台跨的框架和楼面对垃圾贮坑而言，均为其抗侧力构件，并且共同构成了垃圾贮坑在炉前平台一侧的抗侧力体系［5］。当进行上述3 种局部的拆除改造时，均会削弱抗侧力体系的整体刚度，造成垃圾贮坑池壁受力和变形增大。但是相对而言，楼面因其本身的刚度较大，局部拆除时，炉前平台的楼面被截断成不连续的几块，其整体的水平刚度严重丧失，对整个抗侧力体系的削弱作用非常显著。而输煤跨局部拆除时，虽然对整个抗侧力体系也有削弱，但是仍有炉前平台跨支撑垃圾贮坑，造成的刚度损失只占整个抗侧力体系较小的一部分，因此该改造措施对垃圾贮坑池壁受力的影响相对较小。最后，当拆除与焚烧炉冲突的炉前平台柱及与之相连的框架梁时，整个抗侧力体系虽有削弱，但是由于模型3 中已经拆除了该区域的楼面，剩余框架的刚度相对较小，拆除后对整个抗侧力体系和垃圾贮坑池壁受力的影响也相对较小。

图2 垃圾贮坑池壁底部弯矩（My）分布示意图

图3 垃圾贮坑中间位置池壁水平变形分布示意图

2.2 对改造区域周边框架柱受力的影响

统计各模型分析结果中，炉前平台和输煤跨框架柱柱底所承受的最大荷载设计值，详见表2。对比分析各模型的柱底荷载可知，上述3 种改造措施对周边框架柱所承受的荷载均有影响。其中输煤跨局部拆除以及投料口和炉前平台局部拆除时，与拆除区域相邻的框架柱KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 轴力均明显减小。这是因为局部楼面拆除后，楼面四周框架柱所承担的楼面自重和楼面竖向荷载减小，柱底轴力也相应减小。对比KZ2～KZ5、KZ8～KZ11 柱底X 向剪力和Y 向弯矩可知，当输煤跨局部拆除以及投料口和炉前平台局部拆除时，柱底X 向剪力和Y 向弯矩明显增大，并且靠近垃圾贮坑中间区域的KZ3、KZ4、KZ9 和KZ10 柱底荷载增幅比靠近垃圾贮坑两端区域的KZ2、KZ5、KZ8 和KZ11 要大的多。分析可知，输煤跨及炉前平台跨的框架和楼面作为垃圾贮坑的抗侧力构件，局部拆除后造成整个抗侧力体系的抗侧刚度降低，在垃圾贮坑水平堆载不变的情况下，各框架柱需要承担更大的水平荷载，造成柱底X 向剪力和Y 向弯矩增大。同时由于垃圾贮坑中间区域的水平变形相对于两端区域更大，抗侧力构件的水平变形也相对于两端区域更大，反映到柱底的情况就是X 向剪力和Y 向弯矩的增幅更大，这与前文分析的垃圾贮坑池壁底部弯矩的增大趋势是一致的。并且由于投料口和炉前平台局部拆除时，对整个抗侧力体系刚度的影响相对于其余2 种改造措施更大，引起的柱底X 向剪力和Y 向弯矩的增幅也相对更大，这也与前文分析的垃圾贮坑池壁底部弯矩增大趋势一致。总而言之，本文研究的3 种改造措施对炉前平台和输煤跨框架柱的受力均有影响，同一种改造措施对不同区域的柱底荷载有不同程度的影响，其中对靠近垃圾贮坑中间区域柱子的影响比靠近垃圾贮坑两端区域柱子的影响更大；不同的改造措施对同一根柱子的受力影响也不一样，相对而言投料口和炉前平台局部拆除改造比另外2 种改造措施造成的影响更大。

2.3 对结构整体计算指标的影响

统计各模型计算结果，主要结构整体计算指标值见表3。对比各模型的结构自振周期可知，上述3 种改造措施均会影响到结构自振周期的大小。根据结构动力学原理，单自由度结构的自振周期可按式（1）计算［6］。

表3 各模型主要的结构整体计算指标值整理表

本文研究的结构对象虽然不是单自由度，但是质量和刚度对自振周期影响仍遵循式（1）中的规律，结构的自振周期T与其本身的刚度K 成反比，与参与振动的质量m 成正比。当拆除局部的结构构件时，结构的整体刚度减小，结构的参振质量也会减小。但是根据表3 中结构自振周期的变化趋势可知，从模型1 到模型4 随着各项改造措施的实施，结构的自振周期逐渐变大，这说明本文研究模型的参振质量m 与结构本身刚度K 的比值，是随着各项改造措施的实施而逐渐增大的。对比各模型的最大层间位移角和顶层最大层平均位移计算结果可知，上述3 种改造措施均会影响到结构变形的大小。从模型1到模型4，随着各改造措施的实施，拆除的结构构件越来越多，整体的结构刚度越来越小，结构顶层的最大层平均位移越来越大，最大层间位移角也越来越大。对比各模型底层地震剪力和底层抗剪承载力的计算结果可知，从模型1 到模型4 随着各项改造措施的实施，底层的抗剪承载力和地震剪力均随之减小。分析可知，底层抗剪承载力降低的原因是由于底层的抗剪构件随着改造措施的实施变得越来越少，而底层地震剪力降低的原因在于结构等效总重力荷载的减小和结构刚度的降低［7］。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］中关于采用底部剪力法计算水平地震作用的公式见式（2）。

式中：Geq为整体结构的等效总重力荷载值，包含结构全部的自重及其所承受的竖向恒活荷载的代表值，当结构局部拆除时，不仅结构自重减小，作用在所拆除结构上的竖向恒活荷载也相应取消，在没有增加其他荷载的情况下，结构的等效总重力荷载值一定是减小的；α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第5.1.5 条的规定，当结构的自振周期T 在场地特征周期Tg的1 倍到5 倍之间时，α1值与T 值成反比。从模型1 到模型4 随着结构整体刚度的降低，T 值逐渐增大，α1值逐渐减小。综合上述Geq值和α1值的变化趋势可知，结构底层的地震剪力Fek随各项改造措施的实施而逐渐减小。

3 结论

在循环流化床改炉排炉项目中，输煤跨的局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱这3 种最常见的改造措施，对主厂房垃圾贮坑、改造区域附近框架的受力以及结构的整体计算指标都有着明显的影响，归纳有如下趋势。

（1）3 种改造措施均会削弱垃圾贮坑的抗侧承载力并增大垃圾贮坑池壁承受的荷载，并且随着各项改造措施的实施，削弱作用越来越强，垃圾贮坑池壁承受的荷载越来越大，其中投料口和炉前平台局部拆除在3 种改造措施中对垃圾贮坑的抗侧承载力和受力影响相对最大。

（2）3 种改造措施均会影响改造区域周围框架的受力情况，特别是对靠近垃圾贮坑中间区域的框架柱，影响更加显著。随着各项改造措施的实施，框架柱所承担的X 向剪力和Y向弯矩越来越大。

（3）本文研究的3 种常见改造措施，对结构的整体计算指标如自振周期、结构变形、底层的抗剪承载力和地震剪力等均有明显的影响。随着各项改造措施的实施，结构的自振周期和变形越来越大，底层的抗剪承载力和地震剪力越来越小。

（4）在进行类似项目的炉前平台改造方案设计时，应兼顾对结构局部和整体的影响。