某热电厂锅炉钢框架结构的计算分析及加固设计

温立平¹，朱绪平²，张亚英²，袁延强³

（1.防灾科技学院，河北三河065201；2.北京工业职业技术学院，北京100042；3.滨州沾农供水有限公司，山东滨州256800）

　　摘要：以某热电厂锅炉钢结构框架改造为例，利用Midas与盈建科软件建立计算模型。通过对坍塌钢框架改造前和改造后模型的分析计算，提出了加固方案。地震和风荷载位移曲线表明，加固后钢结构性能指标明显增强。结合实例对钢结构加固进行的探讨和研究，可在钢框架结构的加固加层设计中借鉴与应用，对钢结构建筑抗震加固具有参考价值。

　　0引言

　　电厂热力塔通常为钢框架结构。伴随电厂的更新、升级工作以及为满足环保要求进行的脱硝改造，对建筑结构强度和承载能力提出了更高要求，需要对热力塔进行结构检测并加固，确保电厂运行安全及功能提升。本文基于一个热力塔发生倒塌事故后，为避免发生类似事故，对另一个热力塔进行了鉴定、计算分析和加固处理，最终使其达到规范安全要求。实例中采用的分析方法和加固经验，在钢框架结构的加固加层设计中有借鉴参考价值。

　　1工程事故概况

　　某热电厂1#、2#机组锅炉钢结构建于2007年，两组锅炉用途相同，均为钢框架结构形式。2014年，电厂业主委托某环保公司对1#、2#机组进行脱硝改造，改造后增加了脱硝设备。由于未对梁柱节点进行有效加固，2015年7月9日中午11点热电1#机组停机后，省煤器在当日13点左右从30.50m层整体坍塌，导致1#机组主体结构严重破坏。为避免发生类似事故，本文对2#机组进行整体计算分析加固，以使其达到规范安全要求。

　　2安全性鉴定及施工质量检测

　　为确保加固改造后的钢结构具有足够的安全性并提高抗震性能，多次组织人员到现场检查鉴定。检查的主要内容：与原设计图纸符合情况检查，材料性能检测，构件尺寸检测，外观损伤检测。

　　2.1与原设计图纸符合情况检查

　　发生坍塌事故的结构平面图如图1所示。该结构原建部分和加固改造基本符合设计图纸，但支撑部分缺失。原结构缺失的构件为50.77m处H/B0－B1水平支撑。现脱硝部分缺失的支撑已增补完毕。

　　2.2材料性能检测

　　2#机组锅炉钢结构梁柱钢材选用Q345B。为了确定钢材的实际力学性能，现场采用里氏硬度计（AL200）测试钢构件的抗拉强度。不同标高位置主要钢构件抗拉强度检测结果见表1。

　　Q345B钢材的设计抗拉强度470～630MPa。由表1可知，2#机组钢构件的实测抗拉强度在506～543MPa，满足设计要求。

　　2.3构件尺寸检测

　　钢构件厚度直接影响结构构件的截面积，板厚负偏差超过允许范围，结构计算需要按实际厚度取值[1]。《热轧钢板和钢带的尺寸、外形重量及允许偏差》（GB/T709—2006）要求，15～25mm厚钢板允许负偏差－1.1mm。采用UL350型超声测厚仪对钢构件厚度进行现场抽测，锈蚀部位构件尺寸负偏差在－0.11～－0.39mm，小于允许值。检测结果表明，结构验算可以按照原设计厚度取值[2]。

　　2.4外观损伤检测

　　机组锅炉钢结构焊缝未发现明显的外观损伤，但普遍存在节点锈蚀现象。部分螺栓节点施工质量存在问题，具体表现为：螺栓存在扩孔现象，节点板螺栓缺失，螺栓梅花头未拧掉，节点螺栓未拧现象，有的节点螺栓实际为全截面焊接。除节点损伤之外，还有部分楼板开裂。

　　3结构分析与加固设计

　　3.1结构基本信息

　　结构采用盈建科有限元软件计算。地面粗糙度为B类，地震设防烈度为8度，抗震等级为3级，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期取0.45s。采用振型分解反应谱法进行地震作用分析。

　　梁、柱采用Q345B钢。由于厂房有维护结构，需要进行钢结构抗风计算，基本风压0.7kN/㎡。假定柱脚与基础采用刚性连接，次梁与主梁采用铰接连接。本模型建模过程中，考虑的荷载类型有恒载、活载、地震荷载、楼板自重、设备荷载、风荷载，采用规范荷载组合。

　　脱硝改造后，由于改造增加了脱销设备，结构重量增加，造成1层和2层部分柱子轴压比超限，多个柱子稳定应力超限以及个别梁的应力超限。部分梁、柱超限情况如图2所示。

　　整体计算中，水平方向风荷载作用下的4层最大层间位移角1/90，水平方向最大位移与层平均位移的比值为1.44。

　　3.2节点的加固补强处理

　　针对重点部位的节点，应用有限元ANSYS软件进行节点受力分析。分析表明：在设计组合受力作用下，应力与应变都超限；应力达447MPa，应变达20.8%，需要对节点进行加固。

　　根据现场检测结果可知，结构主体施工质量较差，需要对构件截面和节点进行加固[3]。根据《钢结构加固技术规范》CECS77：96（下文简称《规范》）中6.1与6.2内容，构件节点按以下方式进行处理：①缺失螺栓需要补充到位；②对节点处存在的梅花头未去掉、节点锈蚀、螺栓未拧紧等现象做扭断梅花头、防锈、螺栓紧固等处理措施；③部分主梁由于脱硝设备增加造成剪力不足，下面增设抗剪牛腿，主梁下增设牛腿支托；④部分次梁节点由于加工误差造成螺栓孔径无法对应，在现场进行扩孔处理，满足螺栓的强度要求；⑤有的对腹板进行现场拼接焊接，在端部进行角焊缝的焊接，对虚焊进行剔除处理，补充四周围焊。

　　3.3加固截面的确定

　　由于整体计算是部分轴压比不满足和较多的稳定应力不满足，需先根据稳定应力计算加固截面。根据《规范》加大截面法进行加固[4]。

　　根据式（1），先对截面在x和y方向的惯性矩进行等效计算，根据应力比计算出需要增加的惯性矩；之后在Midas与盈建科软件里进行整体复核计算，直到各个指标满足规范要求。各指标信息见表2。

　　3.4加固方案

　　根据受力和截面等可变换的加固厚度尺寸[5]，加固方案如图3所示，黑色部分为加固钢板，未填充的为原有结构。把各个加固方案构件输入到Midas与盈建科软件里进行整体计算，应力比均符合规范要求。

　　3.5加固前后的结构性能指标对比

　　由表2可知，整体计算各个工况下，位移角最大为1/478，满足了钢结构规范限值1/250的位移角要求；加固后结构性能改善明显，最小刚度比小于1.0，层间受剪承载力比大于0.8，有效质量系数大于90%；位移比等其余指标均符合规范要求。

　　由于篇幅限制，现选取地震荷载作用下改造前后x方向和y方向楼层层间位移角曲线图做对比，如图4所示。

　　改造前，地震荷载作用下x方向和y方向楼层位移的最大值分别为33.9mm和86.0mm；改造后分别减小为28.1mm和4.8mm。由于对y方向支撑连接和节点进行了加强，地震作用下其楼层位移曲线图影响较大。

　　加固前，风荷载作用下x方向和y方向楼层层间位移角最大值分别为1/191（不满足钢结构规范限值1/250）和1/296；加固后分别为1/26684和1/17967，满足规范限值1/250。

　　4结论

　　在工业建筑的结构加固改造设计中，必须结合施工能力与结构现状，根据实际情况选用合适的加固设计方法。本文的热电厂脱硝改造实例，通过有限元软件计算分析，充分运用概念设计的手段，使单个构件的设计与整体设计结合，通过加固补强重要节点和截面、增加合适连接支撑的方法进行加固设计。该方法适用于钢框架工业结构的加固处理，占用空间较小，对钢结构建筑抗震加固具有参考价值。

　　参考文献

　　[1]王永梅，周爱民，沙学勇.单层厂房预应力钢结构加固补强设计与施工[J].施工技术，2013，42（3）：44－48.

　　[2]沈佳星，肖志刚.某钢材加工车间厂房钢结构加固设计[J].钢结构，2016（1）：45－48.

　　[3]郑云，叶列平，岳清瑞.FＲP加固钢结构的研究进展[J].工业建筑，2005（8）：20－25.

　　[4]黄婷，商昊江，张德和，等.钢结构加固在建筑改造工程中的研究与应用[J].福建建设科技，2022（6）：14－24.

　　[5]赵松.钢结构加固探讨[J].黑龙江科技信息，2009（27）：300.