锅炉钢结构优化设计

锅炉钢结构优化设计

张梅

(武汉锅炉股份有限公司湖北武汉430205)

摘要：锅炉钢结构是设备钢结构，它服务于锅炉设备，为悬吊和支承锅炉设备、传递和承受锅炉设备的水平导向荷载、提供为锅炉运行、巡视、检修通道和平台而设置，其结构设计应根据锅炉自身的特点而有所考虑、选择和舍取。

关键词：锅炉；钢结构；优化设计；

根据锅炉的特点，同时也考虑钢结构的加工和安装周期，在部组件分区等方面作了合理的分割，以期让结构受力更加合理，让结构设计周期合理缩短，更好地满足工程进度要求。

一、锅炉钢结构优化设计

1.确定钢结构布置形式。不同种类的锅炉，如煤粉炉、CFB锅炉、余热炉等，钢结构布置形式是不同的，钢结构布置形式在保证结构稳定、承载的前提下，还受锅炉的特殊要求限制，如锅炉是否设置膨胀中心，运转层大平台、管道走向等因素影响，同时钢结构的节点连接形式、柱接头位置等也是影响其布置的重要因素，总之，根据具体要求确定钢结构布置形式。在认真了解锅炉的要求和特点，兼顾设计院管道的布置的前提下，在确定锅炉钢结构布置形式时还应主要考虑以下几个方面因素：a.刚性平台的层数的确定。在满足结构要求前提下，应尽可能较少刚性平台的层数，一般对超临界等大容量机组大多采用8~10层刚性平台；b.垂直支撑的布置。垂直支撑（抗剪平面）宜布置在锅炉外跨，避免与长吹灰器、温度探针、汽水管道、烟风煤粉管道等相互碰撞；同时因垂直支撑布置在外侧，锅炉主柱的传力较明确，可以减少柱截面，同时布置在外跨的垂直支撑也因承受的水平荷载较小，截面也相应的较小；c.大板梁的布置。大板梁是锅炉钢结构主要的承重部件，在布置时应保证传力明确、结构稳定、易于安装。由于受到运输的限制，板梁的高度不能超过4000mm，超限时应进行高度分段，即做成叠梁形式。但叠梁的制作、安装、结构处理等方面存在较大的隐患，因此在确定大板梁的截面形式时应综合考虑以上因素，合理选择经济安全的断面。

2.选择钢结构节点连接形式。根据钢结构布置形式要求选择合理的节点连接形式，如铰接还是固接，是焊接还是螺栓连接。一般情况采用高强度螺栓连接的节点为铰接；采用焊接连接的节点为固接。

3.选择钢结构材料。材料选择原则：由于低合金钢（Q345）比碳钢（Q235）稳定性差，但强度高，价格稍贵。一般说来，钢结构杆件按构造要求的较多，刚度控制的也较多，因此，用碳钢（Q235）是合算的；但在强度控制的杆件上选用低合金钢（Q345）是合算的；同时由刚度控制、但强度也有较高要求的杆件，选用其中哪种都是不经济的，这时应选用混用。混用原则：一般情况下按杆件划分或按板厚划分。如按杆件划分，如柱、梁、垂直支撑、顶板次梁等，可采用碳钢（Q235），但对于大板梁、主柱应尽量选用低合金钢（Q345）；如按板厚划分，薄板件可采用碳钢（Q235），而厚板应尽量选用低合金钢（Q345）。但是，无论哪种选择，都应考虑市场的供应情况。

4.选取合理截面尺寸。选取合理的截面尺寸，对于降低锅炉钢结构的重量来说是非常必要的一种手段。针对柱、梁、垂直支撑、水平支撑不同的受力特点，采取不同的措施，最大程度的减小翼缘和腹板的厚度，使各杆件截面的力学性能得到充分利用。对于柱来说，应根据受力的实际情况，调整截面的尺寸，如不采用原有的宽翼缘的断面，而采用拉开的断面；对于梁来说，应灵活调整梁的断面尺寸，比如轴力大集中力小的梁，翼缘宽度应选择宽些，而轴力小集中力大的梁，翼缘宽度应选择窄些；对于垂直支撑，由于有些垂直支撑的轴力过大，采用以往的W型系列的工字型截面，致使部分截面的钢板厚度达到了50mm，针对垂直支撑垂直受力的特点，截面钢板厚度大于20mm的截面改为箱型截面，端部过渡到工字型，节点连接保持不变。

5.荷载统计及计算简图。荷载统计在钢结构设计中起着举足轻重的作用，按分析软件及结构简化模型确定荷载统计的形式，同时根据选用的设计规范确定荷载的计算方法和取值。

6.计算分析。根据以上的准备，使用结构分析软件进行结构分析，结构分析的关键是根据规范及经验选择荷载组合工况，同时确定取值界限（应力、挠度、刚度、结构侧移等），选取合理的截面形式，经分析计算确定最经济的截面，打印计算结果（包括应力、轴力、弯矩剪力、位移、基础负荷等）。

7.节点计算。节点计算是实现结构连接，实现计算模型的必要环节，是钢结构计算的重要环节。节点计算采用计算和编制通用节点相结合的形式，如高强度螺栓连接的节点，编制了垂直支撑节点标准、水平支撑节点标准、柱接头节点标准及梁端连接角钢标准等；对于特殊的连接还需根据经验判断连接，进行节点计算。

8.柱脚计算。柱脚计算是实现柱与基础结构连接，确定柱脚结构尺寸的计算。根据各柱的基础负荷的大小，柱底板采用分离式与靴梁式两种形式，使柱底板厚度不大于100mm，这对材料的采购和降低重量是非常有利的。

9.绘制钢结构总图。根据以上结构布置、计算分析、节点计算等过程，绘制基础负荷、钢结构总图（包括平、立面布置图），该图中应包括杆件布置、杆件截面、节点连接形式、杆件编号、材料、结构要求等信息。

10.施工设计。施工设计是钢结构的制造图，是一种详细的设计。目前高强度螺栓连接的节点，钢结构施工图是采用参数化设计的CAD程序绘制，该程序包括柱、梁、水平支撑、垂直支撑、大板梁、支承梁、支吊梁、小罩支撑、柱底板等9个部件的施工图绘制，地脚螺栓和支架的程序正在开发。上述程序可完成施工图绘制、零件清单、材料消耗等功能。绘制的施工图包括图形的视图、零件尺寸、明细表、高强度螺栓汇总等功能，一次输入即可完成施工图的绘制。

二、CAD系统软件在锅炉钢结构设计的应用

1.CAD系统软件包的适用范围。在本文所研究的范围中，系统主要采取C语言和Autolisp语言编程技术，DXF文件格式接口技术方面则和国际标准接轨，能够最大程度上兼容AutoCAD。以标准ASCI格式存储DXF文本文件，以此来使得其可以提供给其他程序，以此来使得其在其它系统的格式转化过程中或者在被用来做专门分析之际获得更高的便捷性，而应用DXF文件这一做法，还可以使用AutoCAD软件进行观察、修改，或者绘制出来自于别的软件或程序的各种图形之类。菜单选择方式能够在其中输入初始数据，因此核对数据等会而显得比较方便。在此程序中，能够按照一系列部件的施工图的图形布局、设计顺序之类方面的因素，进一步将施工图当中的标题栏、尺寸标注、连接螺栓、投影图之类一系列元素生成DXF文件，随后再进一步借助于AutoCAD系统对之开展观察，在必要时也可以为满足设计需要而对之做出相应的修改。完成施工图制作这一活动之后，再进一步借助于CAD系统来将一些绘图前的相应信息以自动生成的形式构成零件清单、材料定额总表之类的表格文件。

2.CAD系统软件包效益分析。借助于本文中所描述的设计CAD系统这一活动中的一系列办法，可以在设计电站锅炉钢结构施工图这一方面上获得显著的效果，其既能够最大程度上对施工图的质量做出必要的保证，又可以最大程度上提升劳动生产率和相应的设计速度。本法可以形成不错的经济效益和社会效益，具备广泛的应用前景广。

以上几点对于钢结构设计工作具有一定的借鉴意义。另外，钢结构还存在着总体用钢量大，运输及安装工作难度大等不足，在今后的项目中还应进一步从总体分析计算、节点设计等方面进行设计优化，使锅炉的总体优势不断提升。

参考文献：

[1]聂永兵.论结构优化设计与策略[J].低碳世界，2016（24）.

[2]龚兵.大跨屋面钢网架结构优化设计[J].福建建筑，2016（03）.

[3]陈骥．钢结构稳定理论与应用［Ｍ］．北京：科学技术文献出版社，2017．