程 剛

中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100

窯尾余熱鍋爐混凝土框架結(jié)構的設計

程 剛

中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100

窯尾余熱鍋爐一般落在混凝土框架之上，混凝土框架的標高一般在14 m～18 m之間，以上為余熱鍋爐，為整體設備，設備頂標高一般60 m上下。結(jié)構設計支撐設備的混凝土框架，不同的設計者有不同的結(jié)果。通過建立鋼結(jié)構虛層的方式，模擬設備的實際存在形式，采用程序計算設備由于地震、風產(chǎn)生的柱底內(nèi)力，通過程序計算得到的地震剪力圖、風荷載剪力圖基本與設備給定的地震荷載及風荷載值一致，說明此種計算模型比較合理。

窯尾余熱鍋爐 結(jié)構設計 計算模型 地震荷載代表值

0 引言

窯尾余熱鍋爐作為水泥廠余熱發(fā)電工程項目最重要的標志性建筑物之一，其設計的優(yōu)劣直接關系到整個工程的成敗與形象。目前關于此類建筑設計的文章不多，在設計過程中，設計者一般按照傳統(tǒng)的設計思路，建立混凝土空間計算模型，將設備廠家提供的設備荷載輸入混凝土空間模型進行計算分析；也有的設計者通過建立混凝土+鋼的混合結(jié)構空間計算模型，采用鋼結(jié)構部分直接模擬設備的自重、體型及高度等信息直接進行計算分析。不同的設計分析模型，所得出的計算結(jié)果具有巨大的差異，本文通過一個國外工程實例比較這兩種計算分析模型的不同，并對分析結(jié)果進行評價。

1 工程概況及特征

1.1 工程概況

工程位于巴基斯坦，當?shù)貧庀髼l件：極端最高溫度50 ℃，極端最低溫度5 ℃，結(jié)構設計抗震按照中國標準進行，抗震設防烈度為7度，地震加速度ah= 0.1 g；基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度B。本文僅討論兩種不同的計算分析模型所得結(jié)果的不同及產(chǎn)生原因，工程地質(zhì)等其它條件不再贅述。

1.2 工程項目特征

1.2.1 結(jié)構類型

混凝土框架結(jié)構 2層，頂標高16.500 m；上部為余熱鍋爐，由設備廠家直接提供；余熱鍋爐通過4個鋼柱腳立在鋼筋混凝土框架梁上連接成一個整體，設備頂標高約58.600 m。

1.2.2 設計依據(jù)

現(xiàn)行中國國家的結(jié)構規(guī)范；設計年限：50年。

1.2.3 設計荷載

樓面恒荷載：結(jié)構自重3.75 kN /m2（混凝土樓板150厚）,樓面活荷載3.75 kN/m2，設備荷載由設備制造廠家提供，荷載通過4根鋼柱傳給混凝土框架的荷載數(shù)據(jù)見表1，設備廠家提供的荷載作用點定位見圖1。

2 兩種不同計算分析模型的比較

本工程雖為新建工程，但涉及到原有窯尾高溫風機及周邊原有建、構筑物的限制，框架柱及梁的布置不夠合理，從圖1可以發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土柱與設備鋼柱的重心并不重合；計算模型如果不夠合理，會引起計算結(jié)果的巨大差異。下面分別就兩種計算模型的計算結(jié)果進行比較。

2.1 計算分析模型一

分析模型設置-0.200、7.500、16.500三個標準層，4根鋼筋混凝土柱截面1 150×1 150伸至16.500標高， -0.200、7.500平面設置框架空拉梁，拉梁截面900×1 200，16.500 m平面為鋼筋混凝土框架頂標高，余熱鍋爐支座位于本層；設備的恒荷載、灰荷載分別按照框架梁的恒荷載、活荷載輸入，設備的地震荷載、風荷載按照節(jié)點活荷載的形式在柱端按節(jié)點活荷載輸入。通過PKPM、SATWEI的程序計算分析獲得的柱底內(nèi)力組合值（見圖2）以及根據(jù)此內(nèi)力值計算出柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的數(shù)值（見圖3），可以看到配筋結(jié)果出奇的大，以至于在柱邊緣鋼筋都無法擺放。

表1 荷載通過4根鋼柱傳給混凝土框架的荷載數(shù)據(jù)

圖1 設備廠家提供的荷載作用點定位

圖2 計算分析模型一之柱底內(nèi)力組合值

圖3 計算分析模型一之柱底及-0.200平面框架拉梁的配筋量的數(shù)值

2.2 計算分析模型二

分析模型除同樣設置-0.200、7.500、16.500三個鋼筋混凝土標準層外，另外設置鋼結(jié)構標準計算層四；鋼筋混凝土標準層平面布置同模型一，構件截面適當變小，柱截面改為1 000×1 000，拉梁截面改為500×1 000，16.500平面布置同模型一；利用鋼結(jié)構計算標準層四的恒荷載、活荷載替代設備荷載；其中設備的恒荷載、灰荷載均勻分成8份，按照樓面的恒荷載、活荷載在鋼結(jié)構標準層四中輸入，設備廠家給定地震荷載、風荷載不用考慮，由計算程序自動計算；在計算模型組裝時，將鋼結(jié)構標準層四按層高5 m連續(xù)8層疊加，設置了一個10 m ×4.5 m×40 m的設備模擬體，由模擬體的樓面荷載計算樓層地震內(nèi)力，根據(jù)模擬體的迎風面寬度、高度等指標自動計算風荷載。圖4是通過PKPM、SATWEI的程序計算分析獲得的柱底內(nèi)力組合值，根據(jù)此內(nèi)力值計算出柱底配筋量的數(shù)值（見圖5），可以看到配筋結(jié)果比較正常，柱及框架梁的內(nèi)力及配筋結(jié)果比較符合常識。

2.3 比較分析

上述兩種計算方式，以及其產(chǎn)生的計算結(jié)果，到底哪種計算方式正確呢？

圖4 計算分析模型二之柱底內(nèi)力組合值

首先分析第一種計算模型：荷載輸入時，設備傳來的恒荷載、灰荷載按照梁的荷載輸入沒有問題，而設備的地震荷載、風荷載按照節(jié)點恒荷載或活荷載的形式在柱節(jié)點上輸入，這種方式值得商榷，要知道，程序在計算框架地震剪力時，采用公式：Ve=α×Ge（地震剪力=地震水平剪力系數(shù)×地震荷載代表值），地震產(chǎn)生的其它內(nèi)力通過地震剪力計算得到；在地震設防烈度、場地條件、結(jié)構自振周期等一致的條件下，決定框架地震內(nèi)力的大小就由地震荷載代表值決定了，地震荷載代表值Ge =1.0×G恒+0.5G活。這里將設備的恒荷載按照梁的恒荷載輸入沒有問題，但是將設備傳來的地震荷載、風荷載按照節(jié)點恒荷載或活荷載的形式輸入，就會產(chǎn)生地震及風荷載參與到地震荷載代表值的計算中，重復計算了地震剪力，且風荷載也參與了計算，因此才會導致柱底內(nèi)力出奇的大，及配筋極其不合理的現(xiàn)象。筆者認為如果還是按照這種方式剪力計算模型計算時，建議強制程序不進行地震及風荷載內(nèi)力計算，這樣也會產(chǎn)生較小的誤差，不過此時地震內(nèi)力產(chǎn)生的柱底彎矩偏小，這是因為人為地降低了地震荷載的作用位置。

圖5 計算分析模型二之柱底配筋量的數(shù)值

計算方法二較好地模擬了設備實際存在的情況，符合實際的情況，通過建立鋼結(jié)構虛層的方式，模擬設備的實際存在形式，采用程序計算設備由于地震、風產(chǎn)生的柱底內(nèi)力，通過程序計算得到的地震剪力圖、風荷載剪力圖基本與設備給定的地震荷載及風荷載值一致，說明此種計算模型是比較合理的。圖6分別為地震、風荷載產(chǎn)生的層間剪力值。

圖6 地震、風荷載產(chǎn)生的層間剪力值

3 結(jié)束語

通過對同一實際工程設計模型的比較，方法二建立的計算分析模型，具有結(jié)構設計分析模型與實際工程實例一致性強，設計輸入簡便、合理、計算分析準確的特點。在實際工程中，這點經(jīng)驗對燒成窯頭余熱鍋爐、收塵器等設備的支撐框架設計有一定的參考借鑒價值。

2015-05-20）

TQ 72.622.22:TU278

B

008-0473(20 5)04-0046-03

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 3