某發(fā)電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)安全性鑒定評(píng)估

　　武景韜 鄭建華 寧 濤
　　（中冶建筑研究總院（上海）有限公司，上海200433）
　　摘 要：某發(fā)電廠進(jìn)行脫硫脫硝改造，要求對(duì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并由原生產(chǎn)商（外商）按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)；本文按照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)算分析，并按（參）照有關(guān)鑒定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其安全性進(jìn)行了鑒定評(píng)估，可為今后同類工程參考。
　　關(guān)鍵詞：脫硫脫硝改造；鍋爐鋼結(jié)構(gòu)；可靠性鑒定

　　1 引 言
　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)能源的需求量愈來(lái)愈大，能源問(wèn)題日益凸顯，2009年以來(lái)，關(guān)于控制氮氧化物和二氧化硫排放的政策不斷出臺(tái)，現(xiàn)役電廠的脫硫脫硝改造工程已在近年大規(guī)模推行。
　　本文針對(duì)某電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的脫硫脫硝改造，應(yīng)用有限元軟件，根據(jù)中國(guó)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行地震作用下的安全性分析。
　　2 工程概況
　　該鍋爐鋼框架為七層帶中心支撐的純鋼結(jié)構(gòu)框架，平面呈矩形，平面尺寸46m(K～P1a)×36m(202a～206c)，主體框架高70.2m，主要平臺(tái)標(biāo)高為+12.000m、+22.200m、+31.600m、+41.500m、+50.700m、+60.400m、+70.200m。該機(jī)組鍋爐鋼框架柱采用H型鋼鋼柱，采用T型鋼、H型鋼、雙L型鋼、雙槽鋼水平支撐及垂直支撐。基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土承臺(tái)，柱底標(biāo)高-0.950m，承臺(tái)頂標(biāo)高-3.250m。下圖為典型結(jié)構(gòu)平面圖和立面圖：

　　此鍋爐鋼結(jié)構(gòu)由國(guó)外生產(chǎn)廠商進(jìn)行脫硫脫硝改造設(shè)計(jì)，主要改造部位如下所示：P1立面改造較大，由于脫硫脫硝工程有新增管道，P1立面4層、5層間的豎向支撐需要剪短
　　并加固。其余結(jié)構(gòu)加固部位在2至5層軸線P1、P1a處，如下圖2-4 到圖2-8紅色云線所示。

　　3 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
　　3.1 結(jié)構(gòu)模型
　　本結(jié)構(gòu)根據(jù)原始施工圖及改造圖紙，用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件sap2000建立改造后的結(jié)構(gòu)模型，如圖3-1所示：
　　3.2 結(jié)構(gòu)振型
　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)前幾階固有頻率對(duì)地震影響的貢獻(xiàn)比較大，所以在計(jì)算中只考慮前幾階模態(tài)，可使得計(jì)算得以大大簡(jiǎn)化。計(jì)算得模型前三階振型，每階振型由等軸視圖（a）、側(cè)視圖（b）和俯視圖（c）三個(gè)不同的角度來(lái)表示，如下所示：

圖3-2鍋爐鋼結(jié)構(gòu)一階振型圖

圖3-3鍋爐鋼結(jié)構(gòu)二階振型圖
 

　　　　圖3-4鍋爐鋼結(jié)構(gòu)三階振型圖

　　結(jié)構(gòu)自振周期如下表所示：

　　由上述圖像及表格可以看出，結(jié)構(gòu)的第一階振型為Y向水平彎剪振型，第二階振型為X向水平彎剪振型，說(shuō)明鋼架在動(dòng)力作用下表現(xiàn)出懸臂梁的特性。第三階為XY平面的扭轉(zhuǎn)振型，主要是由于鍋爐懸吊與鋼架上，使鋼架附加質(zhì)量較大，鋼架的質(zhì)心和剛度中心不重合。第一、第二周期比T1/T2=1.03，結(jié)構(gòu)縱橫兩周期比較接近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)兩方向剛度均勻，結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，抗震性能好。扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一周期T1比T3/T1=0.76，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置較為有效合理。
　　4 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜分析
　　4.1 材料強(qiáng)度
　　查閱原竣工圖紙，鋼框架原設(shè)計(jì)采用日本標(biāo)準(zhǔn)SS41（一般構(gòu)件）、SM41、SM50（焊接構(gòu)件及部分柱）號(hào)鋼，其中SS41、SM41號(hào)鋼的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的Q235號(hào)鋼的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相近，SM50號(hào)鋼的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的Q345號(hào)鋼的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相近。現(xiàn)場(chǎng)采用里氏硬度計(jì)對(duì)鋼框架鋼柱的材料性能進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，鋼柱實(shí)測(cè)里氏硬度值換算成極限抗拉強(qiáng)度后，可以滿足Q235號(hào)及Q345號(hào)鋼材的相關(guān)技術(shù)要求。但原設(shè)計(jì)中，SS41、SM41、SM50號(hào)鋼與我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的鋼材厚度對(duì)鋼材強(qiáng)度的折減不一致，本次結(jié)構(gòu)驗(yàn)算按照原設(shè)計(jì)說(shuō)明執(zhí)行。
　　4.2 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載
　　本工程所在地為8度設(shè)防，IV類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期Tg=0.065s，結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.02，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08，不計(jì)豎向地震作用。基本風(fēng)壓
　　ω 0=0.55kN/m2。
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的永久荷載、偶然荷載、風(fēng)荷載、地震作用以及荷載組合。
　　4.3 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施
　　由于電廠機(jī)組單機(jī)容量為350MW，因此該鍋爐鋼結(jié)構(gòu)為乙類建筑，抗震構(gòu)造措施按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度對(duì)該鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震構(gòu)造措施鑒定，主要鑒定結(jié)果如下。
　　(1)鍋爐鋼框架高度約為70.2m，按照抗震構(gòu)造措施8 度設(shè)防烈度設(shè)防，鋼框架主柱長(zhǎng)細(xì)比基本滿足要求。
　　(2)鍋爐鋼框架柱、梁主要采用工字形截面，腹板較高梁采用橫向加勁肋，主要構(gòu)件板件寬厚比基本滿足要求。
　　(3)鍋爐鋼框架支撐桿件主要采用工字型鋼、T型鋼、H型鋼、雙L型鋼、雙槽鋼，主要支撐桿件長(zhǎng)細(xì)比基本滿足要求，主要支撐桿件的板件寬厚比基本滿足要求。
　　(4)2鍋爐鋼框架柱采用埋入式柱腳；梁柱連接基本采用剛接，柱在梁翼緣對(duì)應(yīng)位置均設(shè)置橫向加勁肋。基本滿足《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（2012版，送審）的相關(guān)要求。
　　(5)鍋爐鋼框架結(jié)構(gòu)為中心支撐的純鋼結(jié)構(gòu)框架，支撐采用人字形、X形支撐，基本滿足《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。
　　通過(guò)對(duì)本鍋爐鋼結(jié)構(gòu)框架抗震構(gòu)造措施進(jìn)行鑒定，可知，該結(jié)構(gòu)主要抗震構(gòu)造措施基本滿足現(xiàn)行《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《GB50191－2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（新版送審稿）以及《高聳與復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)與鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(新版送審稿)的要求。
　　4.4 結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算結(jié)果
　　(1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面抗震驗(yàn)算基本滿足《GB50191－2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中較薄弱部位為：位于6層和7層、P1軸和M1軸間的斜撐應(yīng)力比接近1，分別為0.964和0.925，是較薄弱部位。另外，在結(jié)構(gòu)頂層，軸線L1左側(cè)和M1右側(cè)水平支撐L200x200x15應(yīng)力比較大，接近1，其中M1和102b出的水平支撐應(yīng)力比為1.004。如下圖4-1所示：

　　由上述計(jì)算結(jié)果，依據(jù)《GB50144-2008工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，可知，對(duì)于大多數(shù)構(gòu)件R/Sγ0≧1，承載力等級(jí)為a級(jí)，符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全性要求，不必采取措施。個(gè)別構(gòu)件0.95≦R/Sγ0≦1，承載力等級(jí)為b級(jí)，略低于國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全性要求，仍能滿足結(jié)構(gòu)安全性下限水平要求，不影響安全，可不必采取措施。
　　(2)由結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及抗震構(gòu)造措施可知，本工程鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件選、整體性構(gòu)造和連接等基本符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。支撐系統(tǒng)布置合理完整，支撐桿件長(zhǎng)細(xì)比及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造基本符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，無(wú)明顯缺陷或損傷。根據(jù)《GB50144-2008工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)構(gòu)整體性評(píng)定等級(jí)應(yīng)該為A級(jí)。沿鍋爐鋼架高度方向?qū)⑵鋭澐譃槿舾蓡螌幼咏Y(jié)構(gòu)，以每層樓板及其下部相連的柱子、梁為一個(gè)子結(jié)構(gòu)，每個(gè)子結(jié)構(gòu)構(gòu)件集中不含有c級(jí)、d級(jí)構(gòu)件，含有b級(jí)構(gòu)件遠(yuǎn)小于30%，根據(jù)《GB50144-2008工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)構(gòu)承載功能等級(jí)為A 級(jí)。
　　(3)鋼框架頂層鍋爐吊架各吊桿共承擔(dān)鍋爐重量共約近4600t，目前現(xiàn)狀正常，支架及吊桿未發(fā)現(xiàn)明顯變形、損壞及嚴(yán)重銹蝕，本次增加荷載作用于鍋爐本體部分相對(duì)鍋爐重量較小，因此，鍋爐吊架、吊桿應(yīng)可滿足本次改造要求。
　　4.5 結(jié)論及建議
　　主要抗震鑒定結(jié)論如下：
　　(1)電廠鍋爐鋼框架維護(hù)得當(dāng)，目前結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀基本正常，該框架總體屬輕微銹蝕，局部嚴(yán)重銹蝕，目前，銹蝕尚未對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力造成明顯影響，+60.400m平臺(tái)局部水平支撐變形。本次改造涉及到的區(qū)域，現(xiàn)狀基本良好，僅局部構(gòu)件輕微銹蝕及積灰。
　　(2)電廠鍋爐鋼框架主要結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施基本滿足要求。
　　(3)按照改造方案，電廠鍋爐鋼框架結(jié)構(gòu)柱、梁、垂直支撐、水平支撐承載力滿足改造要求；頂部鍋爐吊架、吊桿承載力滿足改造要求。
　　對(duì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)改造建議如下：
　　(1)對(duì)銹蝕構(gòu)件，重點(diǎn)是鋼框架柱腳、吊桿與吊架連接彈簧阻尼罩底部進(jìn)行除銹后重新防護(hù)；對(duì)銹蝕嚴(yán)重平臺(tái)梁連接螺栓蓋板進(jìn)行更換；對(duì)少數(shù)歪斜的彈簧阻尼保護(hù)罩修復(fù)或更換；并定期對(duì)鋼框架容易積灰的柱腳、支撐的積灰進(jìn)行清理。
　　(2)改造施工時(shí)，對(duì)改造區(qū)域內(nèi)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的保護(hù)，以免受損。
　　(3)對(duì)局部彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的桿件進(jìn)行修復(fù)。
　　(4)改造后，對(duì)改造時(shí)增加吊架的梁定期進(jìn)行檢查。
　　5 結(jié)論和展望
　　由上述結(jié)果可知，本工程鍋爐鋼結(jié)構(gòu)脫硫脫硝改造后在地震作用下滿足中國(guó)規(guī)范要求。然而，由于這種計(jì)算方法仍然是把鍋爐本體及相關(guān)管道當(dāng)做永久荷載施加于鍋爐鋼架上，并沒(méi)有在考慮鍋爐本體及管道的剛度在地震作用下的貢獻(xiàn)，使得結(jié)果偏于保守。事實(shí)上，由于管道和鍋爐尤其是鍋爐本體，其本身是有一定剛度的，在地震作用下可以變形吸收地震能量，從而使得結(jié)構(gòu)所受地震力減小。這在鍋爐鋼結(jié)構(gòu)改造鑒定及分析中，應(yīng)當(dāng)予以重視。
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