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摘 要：针对某工程的脱硫改造，根据脱硫布置和现有的场地情况，通过分析比较，采用大跨度钢结构桁架来支撑烟道支架的方案，同时对该钢桁架的设计要点进行深入探讨。工程实践表明，根据通辽一期脱硫烟道支架的设计经验来看，采用大跨度钢桁架结构来支撑烟道支架是较为成熟和经济的一种设计方案，值得在以后的工程项目中大力推广。
关键词：脱硫工程；烟道支架；钢桁架；桁架设计
项目简介
某电厂一、二期工程安装4台200MW机组，三期为1台600MW亚临界空冷机组。预留四期再扩建2台600MW亚临界空冷机组。电厂一、二期工程原设计无脱硫设施，随着人们对环保意识的日益增强，对电厂烟囱排放的含硫气体污染环境的影响的认识逐渐加深，脱硫已成为目前国家大型带有烟气排放的企业重中之重。因此，现对一期工程进行脱硫改造，增设脱硫设施，以达到改善生产、生活环境，保护自然生态的目的。本脱硫工程包括脱硫系统以及烟气系统，采用石灰石—石膏湿法、两炉一塔脱硫装置，烟气100%进行脱硫处理。
通辽一期脱硫采用的是2炉一塔方案，即两台锅炉的烟气通过烟道进入一座吸收塔进行烟气脱硫反应。两条原烟道在吸收塔前合并后进入吸收塔，脱硫后在吸收塔出口分为两条净烟道，然后分别进入烟囱。
烟道布置及烟道支架情况
根据工艺布置，初步设计时，拟采用在烟囱底板上新增立柱的方案来建造混凝土框架结构的支撑。这样烟道支架柱的柱距较为合理，经济效益也能取得较好效果。但在初设审查会上，业主考虑到新增柱的柱底荷载太大，且荷载为偏心荷载，对现有烟囱基础的安全会造成一定的影响。不建议在烟囱底板上出现新增荷载。即不允许在烟囱底板上新增混凝土柱。这样的情况给我们烟道支架的设计带来了难题，因为根据脱硫布置和现有的场地情况，若不能在烟囱底板上新增立柱，烟道支架的跨度将达到24米。这样的跨度和大荷载条件下，普通的混凝土结构已无能为力。
为攻克这一难题，经过了大量的讨论和比较分析，最终认为大跨度钢结构桁架来支撑烟道支架的方案为比较优秀的方式。其主要的分析考虑理由是，对于大跨度和大荷载结构，钢桁架是较为理想的解决方案。一是钢桁架结构能充分发挥钢材受拉好的特性，尽量充分地发挥了钢材的优良力学性能，从而使得用钢量较少；二是钢桁架的刚度很好，用作支撑结构变形小，牢固可靠，能有效避免震动；三是钢桁架外形美观，感官上纤细轻巧，能成为工程的亮点。因此，本工程在烟囱底板两侧分别建立混凝土构架，两构架间搭设钢结构桁架，通过钢桁架来支撑原烟气和净烟气烟道，如图1所示。
图1烟道布置及烟道支架示意图
钢桁架结构设计
本工程最终完成设计的钢桁架跨度达到了24.08米，桁架高度2.4米，宽7.6米。在设计时，除了注意结构设计时力学分析准确，还特别考虑了采用市场上常见易购的型材，如成品H型钢和角钢，从而有效地方便了工厂采购和制作。
图2钢桁架大样示意图
3.1钢桁架受力特性分析
对于本工程的钢桁架来说是属于平面桁架，在横向荷载作用下其受力实质是格构式的梁。钢桁架与实腹式的钢梁相比较，其特点是以弦杆代替翼缘和以腹杆代替腹板，而在各节点处通过节点板(或其它零件)用焊缝或其它连接将腹杆和弦杆互相连接；有时也可不用节点板而直接将各杆件互相焊接(或其它连接)。这样，平面桁架整体受弯时的弯矩表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。
对于本工程来说，钢桁架与实腹梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，从而常能节省钢材和减轻结构自重。这使钢桁架特别适用于跨度或高度较大的结构。此外，钢桁架还便于按照不同的使用要求制成各种需要的外形。并且由于腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，钢桁架常可做成有较大高度，从而具有较大的刚度。但是，钢桁架的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。
钢桁架各杆件的截面形心軸线应在节点处交汇于一点，内力计算一般按铰接桁架进行。当桁架只承受节点荷载时，所有杆件只受轴心拉力或压力；如在杆件节间内也承受荷载，则该杆件将同时受弯。钢桁架杆件一般较细，布置节点时应尽量避免或减小局部弯矩。对杆件截面高度与长度比值较大的钢桁架，必要时应考虑节点刚性引起的杆件次应力。
3.2钢桁架构件连接设计
对于钢桁架来说，其连接方式可采用焊接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接或铆接。而对于焊接来说，其在钢桁架中的应用最广；而普通螺栓连接则常用于可拆卸的结构、输电塔和支撑系统；高强度螺栓连接常用于重型钢桁架的工地连接；铆接用于受较大动力荷载的重型钢桁架，目前已逐渐被高强度螺栓连接所代替。经对比分析，以及结合本工程实际情况，本工程的钢桁架构件的连接方式采用了焊接。
3.3钢桁架高跨比设计
钢桁架的高度由经济、刚度、使用和运输要求确定。增加高度可减小弦杆截面和挠度,但增加腹杆用量和建筑高度。钢桁架的高跨比通常采用 1/5～1/12；钢材强度高、刚度要求严的钢桁架应采用相对偏高值。对于本工程来说，设计的钢桁架高度为2400mm，而钢桁架跨度为24m，因此钢桁架的高跨比为1/10。
3.4钢桁架腹杆设计
钢桁架的腹杆体系通常采用人字式或单斜式等形式。人字式腹杆的腹杆数和节点数较少，应用较广；为减少受有荷载的弦杆或受压弦杆的节间尺寸，通常增加部分竖杆。单斜式腹杆通常布置使较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，有时用于跨度较大的钢桁架。如需进一步减小弦杆及腹杆的长度，可采用再分式腹杆体系，钢桁架高度较大且节间较小时可采用K式或菱形腹杆体系。在支撑桁架和塔架中，常采用能较好承受变向荷载的交叉式腹杆体系，交叉斜杆通常按拉杆设计。斜腹杆对弦杆的倾斜角通常在30°～60°范围内。本工程的钢桁架采用的是人字式腹杆体系形式。
3.5支撑系统设计
为了能充分地确保平面钢桁架在桁架平面外的刚度和稳定、减小弦杆在桁架平面外的计算长度、并承受可能有的侧向荷载,应在钢桁架侧向布置支撑（图2）。支撑通常可分为水平支撑（上弦和下弦平面、横向和纵向）、垂直支撑（桁架两端和中间）和系杆等类型。成对的钢桁架可在其间沿下弦及上弦平面分别布置横向水平支撑，并在钢桁架两端及中间每隔适当距离的竖杆平面布置垂直支撑。屋盖结构中有许多钢桁架，可只在两端及每隔一定距离的相邻两桁架间设置上、下弦横向水平支撑和垂直支撑，其余桁架只在上、下弦按适当间距设置系杆；当有较重吊车或必要时，还可在桁架下弦端节间增设纵向水平支撑。在四面或多面的塔架中应每隔一定高度设置横隔，以保证塔架刚度和横截面的几何不变性。
在进行本工程的钢桁架结构设计中，考虑到桁架上弦杆为受压杆件，为有效地保证其整体稳定，设置水平支撑来减小该构件的平面外计算长度；同时鉴于桁架下弦杆中部的跨度较大，故设置隅撑，从而有效地确保此杆件的不发生失稳破坏。
3.6杆件截面设计
钢桁架杆件的截面形式按节省钢材、连接方便和制造简单等条件选择，并注意使杆件在两个主轴方向的长细比（杆件计算长度和截面回转半径的比值）尽可能相近。钢桁架拉杆应满足强度和容许长细比的要求；压杆应满足强度、稳定和容许长细比的要求。在计算杆件的强度和稳定时,内力按轴心力考虑;当杆件同时受轴心力和弯矩时，应按偏心受力考虑其共同作用。在计算杆件的稳定和长细比时，应考虑桁架平面内和平面外两个方向，或长细比较大的不利方向。杆件的容许长细比，按杆件受压或受拉、受静力荷载或动力荷载等情况分别规定。
结语
工程实践表明，当2榀钢桁架飞跨在25米高的桥头堡般烟道构件间，宏伟的支撑起巨大的烟道时，受到了业主的高度肯定，这也从另一方面验证了该方案的成功、有效。而笔者认为，随着脱硫脱销改造项目的增多，由于场地受限等情况造成的结构支架跨度较大的问题越来越多的出现。根据通辽一期脱硫烟道支架的设计经验来看，采用大跨度钢桁架结构来支撑烟道支架是较为成熟和经济的一种设计方案，值得在以后的工程项目中大力推广。
参考文献：
[1] 彭天波，何娟，杜新喜.黄石电厂209号机组烟道支架结构安全性复核计算[J]. 华中电力，2009，28（12）：35-35.
[2] 江智鹏，管昌生.烟道支架的动力特性及抗震性能有限元分析[J]. 国外建材科技，2004，31（12）：88-89.
[3] 李东，李雅娣，吴少林.大跨度钢桁架加工设计制作技术[J]. 建筑技术，2007，36（07）：56-57.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：脱硫工程；烟道支架；钢桁架；桁架设计
项目简介
某电厂一、二期工程安装4台200MW机组，三期为1台600MW亚临界空冷机组。预留四期再扩建2台600MW亚临界空冷机组。电厂一、二期工程原设计无脱硫设施，随着人们对环保意识的日益增强，对电厂烟囱排放的含硫气体污染环境的影响的认识逐渐加深，脱硫已成为目前国家大型带有烟气排放的企业重中之重。因此，现对一期工程进行脱硫改造，增设脱硫设施，以达到改善生产、生活环境，保护自然生态的目的。本脱硫工程包括脱硫系统以及烟气系统，采用石灰石—石膏湿法、两炉一塔脱硫装置，烟气100%进行脱硫处理。
通辽一期脱硫采用的是2炉一塔方案，即两台锅炉的烟气通过烟道进入一座吸收塔进行烟气脱硫反应。两条原烟道在吸收塔前合并后进入吸收塔，脱硫后在吸收塔出口分为两条净烟道，然后分别进入烟囱。
烟道布置及烟道支架情况
根据工艺布置，初步设计时，拟采用在烟囱底板上新增立柱的方案来建造混凝土框架结构的支撑。这样烟道支架柱的柱距较为合理，经济效益也能取得较好效果。但在初设审查会上，业主考虑到新增柱的柱底荷载太大，且荷载为偏心荷载，对现有烟囱基础的安全会造成一定的影响。不建议在烟囱底板上出现新增荷载。即不允许在烟囱底板上新增混凝土柱。这样的情况给我们烟道支架的设计带来了难题，因为根据脱硫布置和现有的场地情况，若不能在烟囱底板上新增立柱，烟道支架的跨度将达到24米。这样的跨度和大荷载条件下，普通的混凝土结构已无能为力。
为攻克这一难题，经过了大量的讨论和比较分析，最终认为大跨度钢结构桁架来支撑烟道支架的方案为比较优秀的方式。其主要的分析考虑理由是，对于大跨度和大荷载结构，钢桁架是较为理想的解决方案。一是钢桁架结构能充分发挥钢材受拉好的特性，尽量充分地发挥了钢材的优良力学性能，从而使得用钢量较少；二是钢桁架的刚度很好，用作支撑结构变形小，牢固可靠，能有效避免震动；三是钢桁架外形美观，感官上纤细轻巧，能成为工程的亮点。因此，本工程在烟囱底板两侧分别建立混凝土构架，两构架间搭设钢结构桁架，通过钢桁架来支撑原烟气和净烟气烟道，如图1所示。
图1烟道布置及烟道支架示意图
钢桁架结构设计
本工程最终完成设计的钢桁架跨度达到了24.08米，桁架高度2.4米，宽7.6米。在设计时，除了注意结构设计时力学分析准确，还特别考虑了采用市场上常见易购的型材，如成品H型钢和角钢，从而有效地方便了工厂采购和制作。
图2钢桁架大样示意图
3.1钢桁架受力特性分析
对于本工程的钢桁架来说是属于平面桁架，在横向荷载作用下其受力实质是格构式的梁。钢桁架与实腹式的钢梁相比较，其特点是以弦杆代替翼缘和以腹杆代替腹板，而在各节点处通过节点板(或其它零件)用焊缝或其它连接将腹杆和弦杆互相连接；有时也可不用节点板而直接将各杆件互相焊接(或其它连接)。这样，平面桁架整体受弯时的弯矩表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。
对于本工程来说，钢桁架与实腹梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，从而常能节省钢材和减轻结构自重。这使钢桁架特别适用于跨度或高度较大的结构。此外，钢桁架还便于按照不同的使用要求制成各种需要的外形。并且由于腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，钢桁架常可做成有较大高度，从而具有较大的刚度。但是，钢桁架的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。
钢桁架各杆件的截面形心軸线应在节点处交汇于一点，内力计算一般按铰接桁架进行。当桁架只承受节点荷载时，所有杆件只受轴心拉力或压力；如在杆件节间内也承受荷载，则该杆件将同时受弯。钢桁架杆件一般较细，布置节点时应尽量避免或减小局部弯矩。对杆件截面高度与长度比值较大的钢桁架，必要时应考虑节点刚性引起的杆件次应力。
3.2钢桁架构件连接设计
对于钢桁架来说，其连接方式可采用焊接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接或铆接。而对于焊接来说，其在钢桁架中的应用最广；而普通螺栓连接则常用于可拆卸的结构、输电塔和支撑系统；高强度螺栓连接常用于重型钢桁架的工地连接；铆接用于受较大动力荷载的重型钢桁架，目前已逐渐被高强度螺栓连接所代替。经对比分析，以及结合本工程实际情况，本工程的钢桁架构件的连接方式采用了焊接。
3.3钢桁架高跨比设计
钢桁架的高度由经济、刚度、使用和运输要求确定。增加高度可减小弦杆截面和挠度,但增加腹杆用量和建筑高度。钢桁架的高跨比通常采用 1/5～1/12；钢材强度高、刚度要求严的钢桁架应采用相对偏高值。对于本工程来说，设计的钢桁架高度为2400mm，而钢桁架跨度为24m，因此钢桁架的高跨比为1/10。
3.4钢桁架腹杆设计
钢桁架的腹杆体系通常采用人字式或单斜式等形式。人字式腹杆的腹杆数和节点数较少，应用较广；为减少受有荷载的弦杆或受压弦杆的节间尺寸，通常增加部分竖杆。单斜式腹杆通常布置使较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，有时用于跨度较大的钢桁架。如需进一步减小弦杆及腹杆的长度，可采用再分式腹杆体系，钢桁架高度较大且节间较小时可采用K式或菱形腹杆体系。在支撑桁架和塔架中，常采用能较好承受变向荷载的交叉式腹杆体系，交叉斜杆通常按拉杆设计。斜腹杆对弦杆的倾斜角通常在30°～60°范围内。本工程的钢桁架采用的是人字式腹杆体系形式。
3.5支撑系统设计
为了能充分地确保平面钢桁架在桁架平面外的刚度和稳定、减小弦杆在桁架平面外的计算长度、并承受可能有的侧向荷载,应在钢桁架侧向布置支撑（图2）。支撑通常可分为水平支撑（上弦和下弦平面、横向和纵向）、垂直支撑（桁架两端和中间）和系杆等类型。成对的钢桁架可在其间沿下弦及上弦平面分别布置横向水平支撑，并在钢桁架两端及中间每隔适当距离的竖杆平面布置垂直支撑。屋盖结构中有许多钢桁架，可只在两端及每隔一定距离的相邻两桁架间设置上、下弦横向水平支撑和垂直支撑，其余桁架只在上、下弦按适当间距设置系杆；当有较重吊车或必要时，还可在桁架下弦端节间增设纵向水平支撑。在四面或多面的塔架中应每隔一定高度设置横隔，以保证塔架刚度和横截面的几何不变性。
在进行本工程的钢桁架结构设计中，考虑到桁架上弦杆为受压杆件，为有效地保证其整体稳定，设置水平支撑来减小该构件的平面外计算长度；同时鉴于桁架下弦杆中部的跨度较大，故设置隅撑，从而有效地确保此杆件的不发生失稳破坏。
3.6杆件截面设计
钢桁架杆件的截面形式按节省钢材、连接方便和制造简单等条件选择，并注意使杆件在两个主轴方向的长细比（杆件计算长度和截面回转半径的比值）尽可能相近。钢桁架拉杆应满足强度和容许长细比的要求；压杆应满足强度、稳定和容许长细比的要求。在计算杆件的强度和稳定时,内力按轴心力考虑;当杆件同时受轴心力和弯矩时，应按偏心受力考虑其共同作用。在计算杆件的稳定和长细比时，应考虑桁架平面内和平面外两个方向，或长细比较大的不利方向。杆件的容许长细比，按杆件受压或受拉、受静力荷载或动力荷载等情况分别规定。
结语
工程实践表明，当2榀钢桁架飞跨在25米高的桥头堡般烟道构件间，宏伟的支撑起巨大的烟道时，受到了业主的高度肯定，这也从另一方面验证了该方案的成功、有效。而笔者认为，随着脱硫脱销改造项目的增多，由于场地受限等情况造成的结构支架跨度较大的问题越来越多的出现。根据通辽一期脱硫烟道支架的设计经验来看，采用大跨度钢桁架结构来支撑烟道支架是较为成熟和经济的一种设计方案，值得在以后的工程项目中大力推广。
参考文献：
[1] 彭天波，何娟，杜新喜.黄石电厂209号机组烟道支架结构安全性复核计算[J]. 华中电力，2009，28（12）：35-35.
[2] 江智鹏，管昌生.烟道支架的动力特性及抗震性能有限元分析[J]. 国外建材科技，2004，31（12）：88-89.
[3] 李东，李雅娣，吴少林.大跨度钢桁架加工设计制作技术[J]. 建筑技术，2007，36（07）：56-57.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。