主題：上海外高橋第三發電廠塔式爐鋼結構的設計和安裝
內容：通過對塔式爐鋼結構特點的介紹，針對外高橋第三發電廠一號爐鋼結構設計中遇到的技術問題進行討論，為今后同類項目的鋼結構工程提供參考。
1、工程概況
由上海鍋爐廠有限公司制造的上海外高橋第三發電廠2×100OMW超臨界機組的鍋爐采用了德國ALSTOM公司的塔式鍋爐技術。作為配套內容，大型塔式爐的鋼結構在德方的技術支持下，由上海鍋爐廠有限公司負責設計工作�！ �
大型塔式鍋爐鋼結構為露天布置、獨立式全鋼結構，包括主鋼框架(含爐頂鋼框架)、輔鋼框架(爐前平臺、爐左右兩側平臺)、樓梯間和空氣預熱器鋼框架。在爐頂鋼框架上部設置有防雨輕型屋頂結構�！ �
主鋼框架和輔鋼框架總占地寬度約51m，長度為4Om，屋頂頂面標高約為132.O00m，用鋼量約為11000t。輔鋼框架下部爐前平臺與煤倉間共用一排立柱，減小了鍋爐島的占地面積。下部爐前平臺的水平力均由主鋼框架的主梁和立柱承受，煤倉間柱僅承受豎向荷載。空氣預熱器鋼框架為相對于主鋼框架獨立的穩定框架結構，其分為3個部分:中心部分用于支承從爐頂吊下來的煙道，兩側部分用來支承空氣預熱器，其標高在0.000-39.300m。
2、主鋼框架和爐頂鋼框架
主鋼框架作為塔式鍋爐的主要受力結構，它是由一個筒式框架組成的穩定結構，既承受鍋爐設備的豎向荷載，也是傳遞水平力的主要結構。兩側的輔鋼框架、爐前輔鋼框架和鋼平臺依附在筒式框架上。塔式鍋爐主鋼框架特點之一是只要將主鋼框架、爐頂平臺、大板梁及其析架安裝完畢，就可以開始吊裝受熱面。安裝輔鋼框架平臺和吊裝受熱面可以同時進行，縮短安裝周期�！�
主鋼框架的構件斷面均為大規格箱型截面，主要包括:4根主柱，20個主梁和40個立面斜撐。主鋼框架5層主梁的梁面標高為22.490、49.990、70.490、100.490、121.19Om。每層主梁及與其連接的主立柱和主斜撐構成了主鋼框架的5個安裝層。每層主梁所在平面同時也是輔鋼框架的5層剛性平面。主梁需要承受鍋爐懸吊荷載向下傳遞的內力和彎矩，鍋爐的導向力通過剛性梁的導向結構直接作用在主梁側面，同時承受輔鋼框架平面的豎向和水平荷載，輔鋼框架內的管道導向、限位、風荷載和地震荷載均需傳遞到剛性平面再到主梁，最終由主鋼框架承載。塔式鍋爐箱型柱內部布置直梯，并在立柱與平面梁上方開人孔，主梁可作為安裝時的臨時平臺，這樣主鋼框架自身形成一個完整安裝通道�！�
主梁和主斜撐的規格均為寬900mm的箱形截面。選定900mm的寬度既可獲得適當高度的截面，也可保證內部焊接加勁肋后保留約450mm寬度的人孔，以便內部焊接施工�！�
四根主立柱高度均為121.2m，其中0-106.5m均為25OOmm×25OOmm的截面，板厚從50mm逐步過渡到35mm。每根分為8個安裝段，其分段標高為:13.000、27.500、45.470、59.000、75.000、94.000、106.500、121.19Om，分段的目的是考慮安裝起重能力，將每個分段重量控制在1MN內�！ �
爐頂大板梁鉸接于121.200m標高的主梁上表面，大板梁高度為7.25m。兩根大板梁間通過9根次梁與爐頂支撐析架構成了完整的框架體系，用于承受懸吊鍋爐荷載。塔式爐的受熱面采用懸掛式布置將所有管束通過懸吊裝置吊于爐頂;在前后墻各布置4排外部懸吊管，所有的集箱(除水冷壁中間集箱外)均布置在前后墻，集箱均懸吊在其所處位置外部的懸吊管和水冷壁上，外部懸吊管和水冷壁都懸掛在爐頂大板梁上;煙道自鍋爐頂部引出，通過懸臂結構傳力至爐頂大板梁;鍋爐范圍內的4大管道和煙、風、煤粉管道部分吊于鍋爐主框架上，大部分吊于鍋爐的輔助鋼架上�！ �
大板梁截面采用Ⅱ型疊置截面，截面全高為725Omm，其中上部截面高度為375Omm，下部截面高度為35OOmm。大板梁的兩支座端板中心線間距為31500mm。在爐前設有懸掛爐前平臺吊桿的懸挑段，挑出長度為7875mm，平面內傾斜布置。在爐后設有懸掛爐后煙道的懸挑段，挑出長度為8300mm。次梁采用Ⅱ型截面，截面高約為3000mm，長為2148Omm，兩端分別連接于大板梁上部。次梁的上表面與大板梁上表面為同一標高。爐頂支撐桁架共兩榀，左右兩端分別連接于兩根大板梁支座端板上。爐頂支撐桁架支撐在兩根大板梁間以保證爐頂鋼框架的整體穩定。受熱面吊桿穿過大板梁和次梁的上翼緣。上翼緣蓋有70mm厚的墊板，用來直接支承吊桿彈簧支座。
3、輔鋼框架
3.1 爐前平臺鋼結構
在22.5、50m標高處的平面分別為一榀平面桁架，一側與同一標高處的主鋼框架前側的主柱相連，另一側與同一標高處的煤倉間主柱相連。與煤倉間柱子的連接采用滑動支座，應只控制豎向的位移，而在水平方向可以自由移動�！�
標高70.500~100.50Om間的框架結構通過兩個豎向拉桿懸吊于屋頂大板梁前部懸臂端。這個結構由主吊桿、梁(在100.500、70.5OOm標高處與主梁連接)及豎向和水平支撐組成�！ �
3.2 左右兩側平臺鋼結構
下部結構為一個剛性框架。在立面上每側有6個從地面到柱頂標高約70.500m的柱子。在22.500、50.000m標高處，每一側每一層都有6根梁與這些柱連接，梁的另一端支撐在相應的主鋼框架的大梁或柱子上。
上部結構為每側均有充分支撐的框架結構。在立面上每側有6個主吊桿，并通過立面上的斜撐形成穩定的立面框架。該立面框架在121.200m標高處通過兩個斜拉桿連接在主鋼框架的主柱上。上部輔鋼框架在兩層標高分別為70.500、100.500m的剛性平面獲得水平支撐，與主鋼框架的梁和柱相連。
在立面上每側有上部的6個主吊桿和下部的6個立柱。每個吊桿與相應的立柱在約70.500m標高處連接。連接方式為水平方向互相限位，但豎直方向可以相互自由移動�！ �
3.3 后部煙道支撐結構
在約93.170m(梁頂面)標高處，設有一根箱型梁用于煙道的水平限位。這根梁連接兩根主立柱間。煙道的下部水平限位梁為主鋼架49.990m標高的主梁，不再單獨設置限位梁�！�
3.4 樓梯間和電梯井
在鍋爐兩側爐前設有獨立的樓梯間。樓梯間在22.500、50.000、70.500、100.500和118.200m標高處設有水平支撐。在每個�？繉泳辛号c輔鋼框架立柱相連。在靠近集控樓一側，每臺鍋爐設置有兩部電梯，電梯井與樓梯間合為一個獨立的框架結構。樓梯間、電梯井平臺與輔鋼框架平臺組成一個供鍋爐維護、監督和檢修用的通道系統。
3.5規范的選用
采用《AISC建筑鋼結構規范2005年版》第M章:工廠制造、現場安裝和質量控制，《AISC建筑和橋梁鋼結構規程2005版》第7篇:鋼結構現場安裝。對于上述規范中未作明確規定的，按照《鋼結構施工質量驗收規范》(GB50205-2001)及《電力建設施工及驗收技術規范——鍋爐機組篇》(DL/T5047-95)執行�！�
3.6計算荷載
鍋爐鋼框架在建模計算時，一般只考慮靜載、活載、風載和地震載荷的影響。而外高橋項目的計算不但要考慮以上荷載還要考慮灰荷載、壓力波動荷載、爆破荷載、摩擦力、動載荷、檢修載荷、試驗載荷以及熱膨脹荷載。主要考慮的荷載有:a.靜荷載:結構自重、設備荷載等。b.活荷載:樓層檢修荷載、水壓試驗、雪荷載、設備動力荷載、溫度荷載。c.風荷載:基本風速41.0m/s、重要性系數I=1.15、暴露系數C。d.地震作用:場地類別2A、地震場地系數Z=0.15、場地系數S4=2.0、結構重要性系數I=1、結構系數RW=6�！ �
4、設計過程中的技術難點及分析
4.1 主立柱
4.1.1 主立柱的材料
在設計初期，考慮全部使用Q345-B鋼材。但是國內的鋼材標準受到加工工藝水平的限制，厚板的容許應力隨著厚度的增加相應折減。所以經初步計算，從經濟性和可行性方面反復推敲，最后在0.000-5O.000m的標高段主立柱及其他關鍵部位采用了國產A572-Gr5O鋼板，主立柱板厚為5Omm。
從吊機的起吊能力和經濟性出發，經過多次優化和比對，限制了板厚規格。A572板材選用規格種類主要控制在50、70、100mm等幾種，降低了制造、運輸、安裝的成本難度�！ �
4.1.2 主立柱截面的選取
主立柱需要承受非常大的荷載，其截面的選取對主鋼框架的設計至關重要。根據最終的整體結構分析結果，主立柱基本荷載約為:靜載63kN、活載24kN、風載43kN和地震荷載28kN，因此實際選取最不利工況下的荷載組合為112.6kN。每根立柱均需要受到X向和Y向的彎矩，且兩個方向的內力組合基本相同。這一特性決定了立柱的截面特性需要X向和Y向的慣性矩及抗彎模量基本相同，正方形的箱形柱完全符合這一要求�！ �
為保證足夠的慣性矩和抗彎模量，并將板厚控制在合理的范圍內，決定采用2500mm×2500mm的截面。由于構件最長的計算長度約30m，初步校核構件強度和整體穩定性可滿足驗算要求。但4塊腹板的局部穩定性無法通過驗算，必須設置縱向加勁肋�！ �
外高橋二期的同類構件選用了內貼8塊H型鋼作為加勁肋，H型鋼在翼緣板兩端與立柱間采用角焊縫連接。這種形式的加勁肋僅用于提高立柱板的局部穩定性。該加勁肋在高度方向不連續，不能傳遞豎向荷載。因此改為在腹板內壁焊接8個T型加勁肋，該加勁肋在高度方向連續成為立柱主體承載構件的一部分。加勁肋與柱子合為一體都參與豎向荷載的傳遞也可以承受彎矩。T型加勁肋的腹板下端與立柱腹板間采用開坡口T形焊。與二期的截面相比，這類加強筋的設置對柱子的整體和局部穩定都好。與柱子不加加強筋的截面相比，截面承載力提高了28%左右。第一層主立柱的截面規格、材質與外高橋二期相同，但是加勁肋在高度方向的連續布置增加了加工難度和焊接工作量。立柱的上部和下部采用不同的截面是從合理并最大限度利用鋼材的角度出發的，立柱中間以法蘭形式連接�！ �
4.2 柱腳的設計
本工程每個主鋼框架柱腳均采用8根M68地腳螺栓。每組地腳螺栓套管用角鋼和槽鋼焊接構成框架組合。該框架可以在工廠內組合完畢，以保證每組套筒之間相對位置的準確，有利于避免在混凝土澆筑過程中發生位置偏移。地腳螺栓框架的頂標高在地腳螺栓套管蓋板頂部(0.010m)。混凝土澆筑頂標高為±0.000，即地腳螺栓套管的蓋板應高出混凝土上表面10mm。地腳螺栓保護套管的3mm厚蓋板焊在套管上部，避免套管內進人污漬和積水。安裝公司在吊裝柱腳前，先切割掉保護套管的蓋板，然后插人地腳螺栓開始安裝柱腳�！�
該形式地腳螺栓完全滿足了施工便利性和定位的精確度。最為重要的優點是，采用該形式后，大大增加了螺栓與基礎混凝土之間的錨固表面積，因為在套筒內最終灌注高質量的灌漿料，保證了螺栓和套筒之間的可靠錨固，可以看作套筒與螺栓形成一體再錨固于基礎混凝土內。這一點是預埋螺栓達不到的，從而減小了地腳螺栓的長度。
另外，地腳螺栓在計算中由風載引起的軸向力因煤倉間空氣預熱器等建筑結構的影響，會使基礎風荷載減少10%。
4.3柱底板
4.3.1柱底板調平墊板的設計
本工程的柱腳設計為剛性連接，因此柱底板在工廠內與主立柱焊接后出廠。吊裝時單件重量超過了80kN，如何調平柱底板成為技術難題。常規柱底板側安裝調平螺栓的方案不可行，使用鍥塊調節無法保證調整的有效性，因此采用了在柱底板下安裝調平墊板的方案。
調平墊板分為兩部分，下調平墊板安裝在混凝土基礎上表面60mm深的預留孔內。下調平墊板采用3個調平螺栓與基礎留孔底面牢固接觸。在調平墊板就位并調平后用灌漿料灌漿固定，并應保證灌漿后位置不會發生變化。在柱腳吊裝前，調平墊板下的灌漿至少完成7d的養護期。上調平墊板在工廠內焊接到柱底板下，對應于下調平墊板的位置。上下調平墊板的接觸面均需要銑平�！ �
該方案的難點在于現場保證下調平墊板上表面的水平度，以及柱軸線相對于上調平墊板下表面的垂直度。根據實際安裝后的驗收結果，現有技術條件基本可以保證立柱垂直度達到規范要求的公差范圍。其優點是在起吊安裝過程中完全不需要再進行調平工作，在柱子就位后可以立即完成地腳螺栓的擰緊，吊機可以盡快松鉤�！ �
4.3.2柱底板的厚度計算
由于柱子截面較大(2500mm×2500mm)，加上承受的荷載大，因此柱底板規格非常大，后來的計算結果是3500mm×3500mm，厚度為140mm�！ �
在材料預估時，由于對國產厚板的平整度估計過于樂觀，盡管預留了上下各5mm的銑平余量。在材料進廠后，測量發現僅加工上表面10mm的余量仍然不夠。最終采用先局部液壓校平再銑平的方案才完成了單面銑平的工作。因此，在選用大尺寸國產厚板時應充分考慮材料的平整度問題，在綜合考慮機加工工藝的基礎上，選用適當的加工余量�！ �
柱底板結構是這次外高橋項目的一個獨特之處，因為從柱子的截面和結構方面考慮柱底板的尺寸會很大，這樣在計算柱底板時，板厚必然很厚，一定要在結構上采取措施降低板的有效計算長度。通過采用在柱子內側加隔倉板、在柱子的外側加筋板的形式達到了這一目的。柱底板在局部是四邊支撐板和三邊支撐板，通過前面加板可以有效地減小板的邊長，使得板厚降低。在隔倉板上部，柱子的內側又裝了一塊隔板，隔板的上部和柱子的加強筋焊接，使得整個柱底板的傳力系統和柱子的傳力系統更好地結合起來。另外，柱底板的有效面積是柱底板面積減去開孔面積和旁邊4塊直角邊支撐板所圍成的面積。
4.4 主梁和主料撐
4.4.1 主斜撐連接節點的設計
原設計中，主斜撐與梁柱之間的連接板采用一端與斜撐或梁柱焊接，另一端螺栓連接。這樣必須確保構件吊裝時有100%的螺栓孔穿孔率。若出現較大的偏差，則整個螺栓孔群都無法穿孔。超長的箱形截面構件要求就位后誤差在lmm左右，目前的工藝水平的確無法保證。對此，解決方法是全部構件出廠前進行預拼裝�！ �
為確保不進行預拼裝情況下的斜撐節點板達到100%穿孔率，決定將原計劃現場焊接一端的節點板改為全螺栓連接。在出廠時連接板一側的螺栓孔先不鉆，梁柱上預定位置的螺栓孔鉆好。當斜撐吊裝就位后，斜撐上端的螺栓全部擰緊，斜撐下部用擋塊將其定位。此時吊機可以松鉤。然后斜撐下端的節點板就位，現場在節點板上定位螺栓孔。節點板送回加工廠按照現場放樣的位置鉆孔，之后第二次吊裝就位用高強螺栓固定。由于各方的緊密配合，最多增加2d時間就可以完成斜撐的安裝，并且達到了節省預拼裝、優良的穿孔率和避免現場焊接的目的，也沒有過多地增加吊機占用時間。
4.4.2 關鍵斜撐的考慮
121.190m標高處，支撐于梁下的兩個斜撐間距是兩個大板梁之間的間距，這樣的設置是為了更好地傳力。由于斜撐長度比較長，截面比較大，故在節點設計時考慮分3段連接。中間的直段與柱子和梁采用法蘭面連接，既可以保證安裝的準確性，也降低了桿件起吊的難度。另外，主鋼框架的斜撐吊耳在斜撐就位狀態下，將其設置在斜撐的重心垂線上，這樣斜撐可以更好地安裝就位�！�
4.4.3 主梁抗震結構的考慮
抗震設防烈度在8度或者8度以上時，高層鋼結構框架體系可采用中心支撐或偏心支撐，宜采用偏心支撐框架體系。偏心支撐框架充分利用支撐與梁交點間形成的耗能梁段在大震作用下產生的剪切或者彎曲屈服，保證支撐的穩定，提高結構的延性。與中心支撐框架相比，偏心支撐框架具有更好的耗能性能�！ �
本工程支撐與梁采用剛接，耗能梁段的長度對偏心支撐受力性能的影響很大，采用較小的耗能梁段長度有利于結構的耗能和承載力的提高�！ �
4.5 爐頂鋼框架的設計思路
由于所有荷載都懸吊在爐頂鋼框架上，荷載重、跨度大，所以把大板梁向內移到主鋼框架的梁上，這樣次梁的跨度減小后就有效降低了用鋼量�！ �
4.5.1 板梁的計算
（1）整個梁安裝就位后對整個板梁的計算
考慮靜載和風載的計算:在主鋼框架和大板梁中間設支撐結構是為了保證板梁的穩定，所以做完板梁的總體計算后，必須對板梁的支撐結構進行計算，并且主要考慮風載的影響�！�
（2）吊裝板梁下部時的計算
板梁下部長31.5m，考慮荷載為板梁所受靜荷載并增加20%的安全余量。
（3）吊裝板梁上部時的計算
板梁上部長31.5m，考慮荷載為板梁所受靜荷載并增加20%的安全余量�！ �
4.5.2 塔式爐的基本安裝程序
大板梁下部構件的工字形截面構件，單件重量約51OkN�，F場吊裝若需要將兩件拼裝后同時起吊(起吊總重約1200kN)，除連接好其間的5塊連接板以及支座端板(150mm厚度)以外，還應設置臨時加固支撐。加固支撐應在吊裝就位后拆除。之后需安裝121.200m標高處的主鋼框架大梁之間的加固支撐，支撐截面不小于H390×300型鋼的斷面。加固支撐在爐頂鋼框架全部安裝完成后拆除。
在大板梁支座端板與大板梁下部安裝就位后，大板梁支撐析架(各一榀)與大板梁支座端板連接，使用高強度螺栓連接。此析架用于保證大板梁的整體穩定性�！ �
爐頂大板梁的上部構件(每根大板梁三件)吊裝就位并用高強度螺栓與支座板和大板梁下部連接。在吊裝上部的最后一根構件前，需要將大板梁支座端板與大板梁下部構件的螺栓臨時松開，使上部最后一根構件就位。安裝上下疊合面時，先用銷釘在相鄰的若干區域穿孔定位。疊合面高強度螺栓的終擰應按照從中間向兩側的順序操作。其中大板梁上部構件與支座端板連接只需要少量的臨時螺栓，之后安裝懸挑段時需要先拆除這些臨時螺栓�！ �
大板梁之間的9根次梁依次吊裝就位后，爐前和爐后的大板梁懸挑段吊裝就位。最后將煙道懸吊梁吊裝就位�！�
4.6 高強度螺栓選取的考慮
本工程鋼結構的節點采用高強度螺栓連接。主鋼框架、空氣預熱器鋼框架主構件的節點采用承壓型、大六角高強度螺栓(A490M)連接，螺栓直徑為M27、M30、M33和M36。輔鋼框架等平臺鋼結構的節點采用摩擦型連接，扭剪型高強度螺栓，螺栓直徑為M20、M24。預計整臺鋼結構需要約10萬套高強度螺栓連接。
4.6.1 大六角高強度螺栓連接
參照GB/T1228~1231-1991、ASTMA490M(材料)和ANSI(技術條件)。大六角高強度螺栓連接選用材質為:螺栓M27，螺栓為35GrMo，螺母為35號鋼，墊圈為45號鋼;螺栓M30，螺栓為35VB，螺母為45號鋼，墊圈為45號鋼；螺栓M33，螺栓為35VB，螺母為45號鋼，墊圈為45號鋼；螺栓M36，螺栓為42VB，螺母為45號鋼，墊圈為45號鋼�！�
4.6.2 大六角高強度螺栓施工的預拉力和施工扭矩的選取
由于中國及美國標準對于施工預拉力的規定僅覆蓋到M30，因此對于M33、M36的預拉力和施工扭矩需要根據螺栓的允許應力進行計算。首先由A490M標準的緊固軸力推算出緊固軸力為螺栓抗拉強度的0.6861倍。在此基礎上計算出預拉力，并選定0.13的施工扭矩系數計算出施工扭矩。計算結果如下:螺栓M27，預拉力320kN，施工扭矩(參考)1550N·m；螺栓M3O，預拉力39OkN，施工扭矩(參考)19OON·m；螺栓M33，預拉力500kN，施工扭矩(參考)231ON·m；螺栓M36，預拉力585kN，施工扭矩(參考)2950N·m�！�
5、結論
塔式爐鋼結構的結構分離特性較為突出，在設計初期應集中精力于主鋼框架，以縮短整體工期。在明確了各部分鋼結構的接口之后，可以實現多人分段式設計。這對于塔式爐鋼結構設計工作具有一定的借鑒意義。但在以后的同類工程中還應加強結構優化設計，使塔式爐鋼結構更加適應中國本土化的要求。
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