地震作用下的水泥窑锅炉钢结构分析.pdf

余 热 锅 炉2 0 0 8 ． 3 1 7 地震作用下的水泥窑锅炉钢结构分析 杭州锅炉集团股份有限公司 王志群 摘要锅炉构架设计采用底部剪力法计算地震作用， 进行抗震设计 ， 对汶川地 震后都 江堰水泥窑钢结构在地震后的概貌进行 分析 ， 按振 型分解反应谱 法校核 结构 计算 ， 讨论规范计算方法的合理性和可行性以及对结构设计的一些建议 。 关键词抗震设计规 范地震作 用 概貌验算建议 1 弓 I -N 要 的分析与验证。 由我公司承建的都江堰市某水泥有 限公 司的两台窑尾余热锅炉位于四川省都江堰市 金凤村 ， 分别 是一条 3 2 0 0 t ／ d生产 线和一条 3 5 0 0 t ／ d 熟料生产线 。建设 场地在都江堰水 泥厂 内， 离成都市约 5 0 k m， 场地从西北 向东 南倾 斜 ， 地 形 起 伏 ， 水 渠 较 多。海 拔 标 高 7 1 9 m以上 ， 要求抗震设 防烈度 7度 ， 设计基 本地震加速度值为 0 ． 1 0 g ， 场地类别为 Ⅱ类 。 两台锅炉外形极 为相 似， 钢架结构外形尺 寸 长 宽 高 分别为 6 ． 8 65 ． 22 4 简称 “ 炉 A ” 1 0 4 ． 8 2 5 简称“ 炉 B ” ， 单位均为 m， 构架布置规则 ， 锅炉受热面均通过通风梁 支撑在梁上 ， 锅筒布置在柱顶 ， 烟气从炉顶引 入， 通过直 烟道从 炉底引 出， 可见示意 图 1 。 在 5月发生 的的汶川大地震 中， 现场两 台锅 炉 A炉比 B炉 的震害要 大， A炉钢结构 的构 件发生了一定程度 的破坏 ， 主要表现在锅炉 构架一些附属构件上， 如平台托架的大变形 及其端部焊缝 的开裂 附 图 1 、 某 些连接 的 断裂 附图 2 、 弹簧支座的滑移跌落 附图 3 、 炉顶雨棚的变形 附图 4 、 柱脚 处混凝土 的严重开裂 附图5 等等 ， B炉现场破坏不明 显。本文主要针对此次发生 的大地震对锅炉 构架引起的破坏概貌对规范抗震设计做些简 图 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 余 热 锅 炉2 0 0 8 ． 3 2 规范抗震设计的要求及地震作用计算介绍 我国抗震设计规范从 1 9 6 4的草案到 2 0 0 1 版新规范， 期间历经 3次大地震， 分别 是邢台地震、 海城地震以及唐山地震， 规范也 更新修订过 4次 ， 从原来的容许应力设计法 发展到现在的以可靠度理论为基础的概率设 计法。2 0 0 1 版规范修订安全度水准比 8 9版 规范提高 1 0～l 5 ％， 工程造价约提高 3 5 ％ 。 按照抗震设计 三水准 的设 防要求需 做 到 小震不坏， 中震可修， 大震不倒； 通过二阶 段抗震设计法实现 目标。第一水准是按多遇 地震用反应谱求地震作用 ， 按强度要求进行 截面设计 ， 也就是第一阶段设计法 ， 以小震验 算强度和变形。第二水准是通过概念设计和 构造措施使结构部分达到或超过屈服极限。 第三水准通过防倒塌 的要求进行抗震设计 ， 这是第二 阶段设计 ， 用大震参数验算重要结 构的层间位移。 按照抗 震规范 G B 5 0 0 1 12 0 0 1 ， 地震 作 用允许在两个主轴方向分别计算地震水平作 用进行抗震验算 ， 进行锅炉钢结构 的抗震计 算时 ， 一般情况下可采用底部剪力法 ， 当锅炉 钢结构高度较高时， 宜采用振型分解反应谱 法。下面对两种方法做简要介绍 I 采用底部剪力法时 ， 锅炉钢结构的水 平地震作用应按下列公式计算 1 结构总水平地震作用标准值 F E K 。 l G e 。 公 式 1 式中 G 1 一 相应于结构基本 自振周期的水平 地震影响系数 ， 应按抗震规范图 5 ． 1 ． 5地震 影响系数曲线确定 ； G 阳 一 结构等效总重力荷载代表值 ， 包 括锅炉钢结构全部自重和支承荷载。 式中 G 、 一 分别为集 中于质点 、 _ 『 的重力 荷载代表值； 、玛一 分别为质点 、 的计算高度； 一 顶部附加地震作用系数， 应按表 1 计算 。 表 1 顶部附加地震作用系数 s T 1 1 ． 4 ≤ 1 ． 4 r , ≤ 0 ． 3 5 0 ． 0 8 T 1 0 ． 0 7 0． 5 5 0 ． 0 8T l 一 0 ． 0 2 注 T 1 为结构基本 自振周期。 3 顶部附加水平地震作用标准值 △ F n F E K 公式 3 Ⅱ 采用振型分解反应谱法时， 应按下列 规定计算地震作用和作用效应 1 结构 j 振型 i 质点的水平地震作用标 准值 ， 应按下列公式确定 G l i 1 ， 2 ， ⋯， n ， j 1 ， 2 ， ⋯， m 公式 4 y ∑ G f／ ∑ 碍G 公式5 式 中 j 振型 i 质点的水平地震作用标准 值 ； a f 一 相应于j 振型 自振周期 的地震影响 系数 ； j 振型 i 质点的水平相对位移 ； i 振型的参与系数。 2 水平地震作用效应， 应按下式确定 √∑S 公 式6 式中 S E x -- 水平地震作用标准值的效应； ．s ，1 振型水平地震作用标准值的效 2 质点 i 的水平地震作用标准值 应。 F E K 1一 公式 2 3 锅炉构架抗震设计 ∑ J 1 本锅炉构架 立面布置见 图 1 ， 结构抗震 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 8 ． 3 1 9 设计过程可见流程 图 图 2 ， 通过底 部剪力 法和振型分解反应谱法分别进行计算 比较， 结果数值相差不超过 1 0 ％ ， 可以说采用 两种 计算地震作用的方法影响有限。同时在结构 抗震设计时， 除按上述进行数值分析外， 概念 设计也是结构抗震性能好坏关键的因素， 需 考虑结构布置 的规则性、 利用结构构件 的变 形耗能作用 、 多重设 防和结构破坏形态 的控 制 、 非结构构件 的设计注意事项及 隔震 消能 减震设计 ， 在设计过程中做到强柱弱梁、 强剪 弱弯、 强节点弱杆件以提高结构的延性。 圃 瞬 紊孵 圃 一 陌 酝丽 嘲 一 图 2 4 场地布置及震后分析 我公司提供的两台锅炉在场 区平面布置 上长边方 向相互垂直 ， 地震后厂区 内无 明显 的断裂带， 炉 A沿强轴 短边 方向的变形较 大， 炉A构架上的平台与相邻建筑物有碰撞 后的变形破坏 ， 而炉 B构架沿 弱轴 长边 方 向的震后残余变形不 明显。由此 ， 我们可 以 通过震后结构的变形及破坏情况初步验证地 震波的传播方 向， 同时也验证抗震规范允许 在两个主轴方向分别计算地震水平作用的合 理性及可行性 ； 并且 ， 我们通过前面的抗震计 算 ， 校核构架在沿各 自强轴与弱轴方 向的抵 抗地震烈度 的等级。通过计 算 ， 在强轴方 向 按小震参数验算抗震能力能达到 7 ． 5度左 右， 对炉 A结构计算结果来 看 ， 此 时的主要 炉顶的最大变形量约 4 0 ra m， 还是能够满足结 构变形的控制 ， 主要问题是在构件 的强度方 面的控制不能满足 ， 在弱轴方 向按小震参数 验算抗震能力应能达到 8 度左右。在汶川大 地震 中， 从 目前 的地震区的概貌来看 ， 设备厂 区的地震烈度应在 8度以上 ， 锅炉构架没有 出现大的破坏或倒塌 ， 我们认为主要 与下列 几点有关 1 钢材具有 良好的延性。 2 结 构布置 上 简单对 称 ， 刚度均 匀连 续， 我们从阪神和智利大地震的震害情况已 经认识到结构布置的重要性。在智利大地震 中， 同处一个 地区的美洲银行 和马那瓜 中央 银行及其附属建筑物 ， 林同炎设计 的美洲银 行只是局部破坏 ， 而 马那瓜银行 和附近 的建 筑物几乎全部倒塌 ， 震后分析 结论主要也是 结构概念设计 的重要性 。 3 设置 了两道抗震防线 ， 一道是垂直支 撑 ， 一道是框架结构本身。 4 构造上做到强柱弱梁、 强剪弱弯、 强 节点弱杆件。 5 场地地基对构架的影响， 锅炉钢结构 设计时不考虑地基与结构相互作用的影响， 但一般来说 ， 地基的变形可以减小地震作用 ， 不过 ， 需考虑附加的二阶效应对结构的影响。 下转第 1 O页 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 余 热 锅 炉2 0 0 8 ． 3 过热器管束中的 S A一 2 1 3 1“9 1 小 R弯头的最 佳正火 回火热处理工艺为 1 0 5 0 l O ℃。 保温 8 m i n 正火； 当升温至 7 50oC 时开始对炉 膛进行充氩气保护直至正火保温结束； 冷却 方式 空冷 ； 回火处理工艺为 7 8 5l o ℃， 保 温 4 5 mi n ， 出炉空冷。焊后去应力热处理工 艺为在 ≥3 0 0 ℃时升降温速度 2 0 0 o C ／ h ， 保温 温度 7 5 0 7 6 0 ℃， 保温时间 1 2 0 m i n 。 参考文献 1 ] I l／ P 9 1 材料手册 ． V b l 研究中心． 2 ]崔忠圻． 金属学与热处理 ． 机械工业出版社 ． [ 3 ] 姗锅炉及压力容器规范， 第 Ⅱ卷 A篇铁基 材料 ． 上接第 1 9页 5 建议 1 结构抗震设计时除需按参数进行地震 作用计算进行外 ， 还需要特别重视结构概念 设计 ， 纠正类似“ 增加构件承载力总是有利无 害” 的非抗震设计概念 。 2 通过计算及地震破坏分析 ， 建议厂 内 将构造措施提高到 8 度。 参 考文 献 [ 1 ]吕西林等 ． 建筑结构抗震设计理论与实例 [ 2 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 ． 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m