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技术论文
垃圾焚烧发电工程结构设计优化
姚乐 中国城市建设研究院有限公司 摘要:近年来垃圾焚烧发电项目为绿色环保项目,越来越多的被地方政府重视,主厂房的设计中方案选型,地基基础设计,计算软件的应用,垃圾池的设计等的问题,通过工程论述垃圾发电厂主厂房的结构特点,为主厂房的经济性,安全性提供很好的保障。 关键词:选型特征整体计算satwe缺陷超长处理 1. 工程概况 郓城垃圾焚烧发电工程垃圾处理功能:一期1200吨/日,年处理43.8万吨;二期总规模1800吨/日,年处理65.7万吨。综合主厂房按二期工程一次性建成,一期工程配置两条600t/d垃圾焚烧线+一套18MW汽轮发电机组。二期预留一条600t/d垃圾焚烧线及一套9MW汽轮发电机组设备的安装用地。主厂房总建筑面积为29247.3m2,占地面积:15030.89m2。考虑厂房总长度及宽度超过规范规定的伸缩缝最大间距,结合工艺要求,拟在横向设一条抗震兼伸缩缝。卸料大厅、垃圾池、锅炉间、烟气净化间、石灰及活性炭间为一块,采用钢筋混凝土框架结构,屋面为钢网架。化水间、汽机间、除氧间及中央控制室部分为一块,采用钢筋混凝土框架结构;钢筋混凝土汽轮机基础与主体结构设缝分开。厂房内设有一处垃圾储存池,为钢筋混凝土水池类结构,与主体相连,池底标高为-7.0米,池顶最高点标高为22.0米。主厂房结构的平、剖面见图1,2。抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为第一组,设计特征周期为0.45秒。建筑场地土为中软土,建筑场地类别为Ⅲ类。 2. 结构设计 2.1结构选型 垃圾焚烧发电厂主厂房结构考虑施工周期、结构刚度、防腐蚀能力、建筑的密封及造价等综合论证及比较选定为钢筋混凝土结构。 2.2 主厂房特征: 主厂房主体结构有以下几点特征:(1)垃圾卸料大厅、垃圾池、焚烧间及烟气间为单层结构,但局部夹层5层。(2)锅炉钢柱立在7m平台处,非零米地面。且与主体结构不能分开(3)为体现建筑效果屋面为弧形,柱顶标高不同。(4)结构刚度小且不均匀(5)楼板开洞面积大,开洞率大于50%(6)厂房内的垃圾池与主体结构相连,导致结构刚度在平面和立面都不均匀(7)荷载工况除恒、活、风、及地震荷载外,有吊车等荷载,在进行受力分析及计算时做尽可能的简化。 2.3地基基础设计 厂区的选址在郓城县垃圾填埋场附近,位于郓城县二十里铺村耕地及鱼塘内。场地由第四系全新统黄河冲积层,主要有粉土和粘性土组成。故天然基础不能满足设计的承载力要求,依据地勘的资料及经济性比较,选用了预应力混凝土管桩(PHC管桩),桩型号为PHC 500 AB 125 -15桩基持力层为❺层细砂,进入持力层深度不小于1.5m。承压承载力特征值1150KN。由于地勘给出的抗浮设计水位-3.0米(绝对标高41.3m)考虑,垃圾池的下方需做抗拔管桩,防止在垃圾池空载及维修过程中水浮力造成的主体结构的裂缝。但垃圾池在容纳垃圾多的时候,抗拔桩还兼承压作用,也要满足承压的要求,桩型选用PHC 500 AB 125 -11桩基持力层为❺层细砂,进入持力层深度不小于1.5m。承压承载力特征值1150KN,抗拔承载力特征值为416KN。且抗拔桩避免接桩。如果情况特殊需要接桩,应采用机械快速接头连接,且用电焊封闭上下节桩的接缝。抗拔管桩的填芯混凝土及管桩内壁的粘结强度设计值现场试验确定后,再重新核 2.4主体结构的整体计算 主体计算采用pkpm的satwe及pmsap两个不同计算理论进行包络设计,个别地方用pk进行单榀校验,防止某些部位出现杆件偷懒(实际分摊的地震作用很小)现象。主厂房在进行主体设计和计算时采用了以下措施:主厂房体型复杂,结构四周均布置连续框架梁,以保证主体结构的整体刚度;主体结构错层及局部夹层较多,根据各层楼板面积及荷载的多少,合理划分楼层。主厂房楼板开洞较大,所有楼板按弹性模考虑。合理调整梁柱刚度,是结构刚度布置尽可能的均匀,由于主体与垃圾池相连,垃圾池的刚度对主体结构的影响很大,计算时需计入垃圾池的刚度。故在计算时垃圾池侧壁按墙单元输入,按框架-剪力墙结构进行计算;垃圾侧压力为荷载较大的侧向水平力,对结构的影响较大,故按方向单独设置成两个工况,并验算垃圾侧压力工况下的位移。将satwe与pmsap(空间模型)的计算结果做比较,分析产生差异的原因,纠正可能产生的输入错误及程序计算范围的限制合理地对计算结果取值。 在计算分析时选前3个主要振型结果对比。 主要振型计算结果 周期(S) 振型 SATWE PMSAP 1 0.9502 0.619 Y向平动 2 0.6709 0.539 扭动 3 0.5917 0.484 X向平动 因satwe只能用折线梁板结构近似模拟网架而无法模拟空间弧形网架故两种计算理论的周期存在差异。 对单层及多层的框排架结构规范随未明确其弹性层间位移角的限制但为合理检验结构刚度,依然按框架结构的要求控制位移,见下表的计算结果。 主要移位计算结果 SATWE PMSAP X向最大层间位移角 1/1224 1/1468 Y向最大层间位移角 1/942 1/1269 结构顶点X向平均位移/mm 11.47 13.124 结构顶点Y向平均位移/mm 13.29 13.850 两者位移计算结果基本吻合,但也存在差异,造成差异的主要原因是satwe计算功能的限制,楼板假定为弹性楼板平均分至各节点,对于楼板内刚度很小会大开洞的楼板无法正确计算各点的不均匀位移,对局部的节点位移计算产生较大的偏差,同时也无法正确分配水平力,导致无法正确计算出构件内力。另外垃圾侧压力对结构的变形也无法准确输出,这些都是satwe软件的限制,所以satwe尽管竖向荷载的计算相对准确,水平荷载下的计算会存在误差,故不能单纯采用satwe程序计算垃圾焚烧的主厂房,而是兼pmsap软件包络设计。 2.5垃圾池设计 垃圾池是垃圾焚烧发电厂最主要的部分之一,且土建造价比重较大及施工周期长。垃圾池内的垃圾其中一侧最高可堆至22m,必然对主体结构产生较大的侧压力,垃圾侧压力的取值对主体结构的安全性及经济性影响较大。由于垃圾的种类,密度的差异计算时应对垃圾侧壁作适当的简化。根据垃圾垂直分布的特点,垃圾的密度下密上松简化为线性分布;由于垃圾内摩擦角由上至下呈现逐渐减小的热点,故侧压力系数Ka简化成上小下大的折线形分布。垃圾池所处的环境为强腐蚀环境,气、固、液三态均有,介质种类复杂,酸性碱性不确定,故垃圾池的防腐设计非常重要。所以郓城垃圾焚烧厂的垃圾池防腐措施为外表涂环氧玻璃鳞片及水泥基渗透结晶涂料,加自身的混凝土防腐,严格控制池壁与池板底裂缝,混凝土添加抗裂性防水剂;设置后浇带,控制水泥砂石的种类及水灰比,加强施工组织及管理。 2.6混凝土超长设计 主厂房横向127米,远远超过了《混凝土结构设计规范》所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距。但因工艺流程的要求,结构无法设置永久伸缩缝,故采取措施控制混凝土干缩裂缝及温度应力。本工程采取的是设置后浇带且通过局部夹层配置双层双向钢筋。由于主厂房超长,垃圾池并不居中,且垃圾池刚度很大,混凝土温度伸缩缝将集中在一侧,故框架将产生不可忽略的温度应力,需计入温度应力的影响。温度应力计算温差采用正负25oC,根据计算结果再次调整梁柱配筋。 4.结论 1)垃圾焚烧厂由于其厂房的不规则性,satwe软件计算时水平荷载下的计算结果误差较大,最好用另一套不同计算理念的软件进行包络设计; 2)垃圾池设计应合理考虑垃圾侧压力对主体结构的影响,局部相连接的楼板作为池壁的侧向支撑避免垃圾池变形,并且采用防腐蚀措施; 3)结构要从多方面,例如:结构刚度、防腐能力、建筑物密闭性等因素满足工艺要求,且做到安全经济的设计。 参考文献: (1) 徐至钧《预应力混凝土管桩基础设计与施工》机械工业出版社 2005 (2) 徐荣年《工程结构裂缝控制----步入“王铁梦法及铨补”》中国建筑工业出版社。 (3) GB50011—2010《建筑抗震设计规范》中国建筑工业出版社,2010 (4) GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中国建筑工业出版社,2010
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