主题：上海外高桥第三发电厂塔式炉钢结构的设计和安装
内容：通过对塔式炉钢结构特点的介绍，针对外高桥第三发电厂一号炉钢结构设计中遇到的技术问题进行讨论，为今后同类项目的钢结构工程提供参考。
1、工程概况
由上海锅炉厂有限公司制造的上海外高桥第三发电厂2×100OMW超临界机组的锅炉采用了德国ALSTOM公司的塔式锅炉技术。作为配套内容，大型塔式炉的钢结构在德方的技术支持下，由上海锅炉厂有限公司负责设计工作。
大型塔式锅炉钢结构为露天布置、独立式全钢结构，包括主钢框架(含炉顶钢框架)、辅钢框架(炉前平台、炉左右两侧平台)、楼梯间和空气预热器钢框架。在炉顶钢框架上部设置有防雨轻型屋顶结构。
主钢框架和辅钢框架总占地宽度约51m，长度为4Om，屋顶顶面标高约为132.O00m，用钢量约为11000t。辅钢框架下部炉前平台与煤仓间共用一排立柱，减小了锅炉岛的占地面积。下部炉前平台的水平力均由主钢框架的主梁和立柱承受，煤仓间柱仅承受竖向荷载。空气预热器钢框架为相对于主钢框架独立的稳定框架结构，其分为3个部分:中心部分用于支承从炉顶吊下来的烟道，两侧部分用来支承空气预热器，其标高在0.000-39.300m。
2、主钢框架和炉顶钢框架
主钢框架作为塔式锅炉的主要受力结构，它是由一个筒式框架组成的稳定结构，既承受锅炉设备的竖向荷载，也是传递水平力的主要结构。两侧的辅钢框架、炉前辅钢框架和钢平台依附在筒式框架上。塔式锅炉主钢框架特点之一是只要将主钢框架、炉顶平台、大板梁及其析架安装完毕，就可以开始吊装受热面。安装辅钢框架平台和吊装受热面可以同时进行，缩短安装周期。
主钢框架的构件断面均为大规格箱型截面，主要包括:4根主柱，20个主梁和40个立面斜撑。主钢框架5层主梁的梁面标高为22.490、49.990、70.490、100.490、121.19Om。每层主梁及与其连接的主立柱和主斜撑构成了主钢框架的5个安装层。每层主梁所在平面同时也是辅钢框架的5层刚性平面。主梁需要承受锅炉悬吊荷载向下传递的内力和弯矩，锅炉的导向力通过刚性梁的导向结构直接作用在主梁侧面，同时承受辅钢框架平面的竖向和水平荷载，辅钢框架内的管道导向、限位、风荷载和地震荷载均需传递到刚性平面再到主梁，最终由主钢框架承载。塔式锅炉箱型柱内部布置直梯，并在立柱与平面梁上方开人孔，主梁可作为安装时的临时平台，这样主钢框架自身形成一个完整安装通道。
主梁和主斜撑的规格均为宽900mm的箱形截面。选定900mm的宽度既可获得适当高度的截面，也可保证内部焊接加劲肋后保留约450mm宽度的人孔，以便内部焊接施工。
四根主立柱高度均为121.2m，其中0-106.5m均为25OOmm×25OOmm的截面，板厚从50mm逐步过渡到35mm。每根分为8个安装段，其分段标高为:13.000、27.500、45.470、59.000、75.000、94.000、106.500、121.19Om，分段的目的是考虑安装起重能力，将每个分段重量控制在1MN内。
炉顶大板梁铰接于121.200m标高的主梁上表面，大板梁高度为7.25m。两根大板梁间通过9根次梁与炉顶支撑析架构成了完整的框架体系，用于承受悬吊锅炉荷载。塔式炉的受热面采用悬挂式布置将所有管束通过悬吊装置吊于炉顶;在前后墙各布置4排外部悬吊管，所有的集箱(除水冷壁中间集箱外)均布置在前后墙，集箱均悬吊在其所处位置外部的悬吊管和水冷壁上，外部悬吊管和水冷壁都悬挂在炉顶大板梁上;烟道自锅炉顶部引出，通过悬臂结构传力至炉顶大板梁;锅炉范围内的4大管道和烟、风、煤粉管道部分吊于锅炉主框架上，大部分吊于锅炉的辅助钢架上。
大板梁截面采用Ⅱ型叠置截面，截面全高为725Omm，其中上部截面高度为375Omm，下部截面高度为35OOmm。大板梁的两支座端板中心线间距为31500mm。在炉前设有悬挂炉前平台吊杆的悬挑段，挑出长度为7875mm，平面内倾斜布置。在炉后设有悬挂炉后烟道的悬挑段，挑出长度为8300mm。次梁采用Ⅱ型截面，截面高约为3000mm，长为2148Omm，两端分别连接于大板梁上部。次梁的上表面与大板梁上表面为同一标高。炉顶支撑桁架共两榀，左右两端分别连接于两根大板梁支座端板上。炉顶支撑桁架支撑在两根大板梁间以保证炉顶钢框架的整体稳定。受热面吊杆穿过大板梁和次梁的上翼缘。上翼缘盖有70mm厚的垫板，用来直接支承吊杆弹簧支座。
3、辅钢框架
3.1 炉前平台钢结构
在22.5、50m标高处的平面分别为一榀平面桁架，一侧与同一标高处的主钢框架前侧的主柱相连，另一侧与同一标高处的煤仓间主柱相连。与煤仓间柱子的连接采用滑动支座，应只控制竖向的位移，而在水平方向可以自由移动。
标高70.500~100.50Om间的框架结构通过两个竖向拉杆悬吊于屋顶大板梁前部悬臂端。这个结构由主吊杆、梁(在100.500、70.5OOm标高处与主梁连接)及竖向和水平支撑组成。
3.2 左右两侧平台钢结构
下部结构为一个刚性框架。在立面上每侧有6个从地面到柱顶标高约70.500m的柱子。在22.500、50.000m标高处，每一侧每一层都有6根梁与这些柱连接，梁的另一端支撑在相应的主钢框架的大梁或柱子上。
上部结构为每侧均有充分支撑的框架结构。在立面上每侧有6个主吊杆，并通过立面上的斜撑形成稳定的立面框架。该立面框架在121.200m标高处通过两个斜拉杆连接在主钢框架的主柱上。上部辅钢框架在两层标高分别为70.500、100.500m的刚性平面获得水平支撑，与主钢框架的梁和柱相连。
在立面上每侧有上部的6个主吊杆和下部的6个立柱。每个吊杆与相应的立柱在约70.500m标高处连接。连接方式为水平方向互相限位，但竖直方向可以相互自由移动。
3.3 后部烟道支撑结构
在约93.170m(梁顶面)标高处，设有一根箱型梁用于烟道的水平限位。这根梁连接两根主立柱间。烟道的下部水平限位梁为主钢架49.990m标高的主梁，不再单独设置限位梁。
3.4 楼梯间和电梯井
在锅炉两侧炉前设有独立的楼梯间。楼梯间在22.500、50.000、70.500、100.500和118.200m标高处设有水平支撑。在每个停靠层均有梁与辅钢框架立柱相连。在靠近集控楼一侧，每台锅炉设置有两部电梯，电梯井与楼梯间合为一个独立的框架结构。楼梯间、电梯井平台与辅钢框架平台组成一个供锅炉维护、监督和检修用的通道系统。
3.5规范的选用
采用《AISC建筑钢结构规范2005年版》第M章:工厂制造、现场安装和质量控制，《AISC建筑和桥梁钢结构规程2005版》第7篇:钢结构现场安装。对于上述规范中未作明确规定的，按照《钢结构施工质量验收规范》(GB50205-2001)及《电力建设施工及验收技术规范——锅炉机组篇》(DL/T5047-95)执行。
3.6计算荷载
锅炉钢框架在建模计算时，一般只考虑静载、活载、风载和地震载荷的影响。而外高桥项目的计算不但要考虑以上荷载还要考虑灰荷载、压力波动荷载、爆破荷载、摩擦力、动载荷、检修载荷、试验载荷以及热膨胀荷载。主要考虑的荷载有:a.静荷载:结构自重、设备荷载等。b.活荷载:楼层检修荷载、水压试验、雪荷载、设备动力荷载、温度荷载。c.风荷载:基本风速41.0m/s、重要性系数I=1.15、暴露系数C。d.地震作用:场地类别2A、地震场地系数Z=0.15、场地系数S4=2.0、结构重要性系数I=1、结构系数RW=6。
4、设计过程中的技术难点及分析
4.1 主立柱
4.1.1 主立柱的材料
在设计初期，考虑全部使用Q345-B钢材。但是国内的钢材标准受到加工工艺水平的限制，厚板的容许应力随着厚度的增加相应折减。所以经初步计算，从经济性和可行性方面反复推敲，最后在0.000-5O.000m的标高段主立柱及其他关键部位采用了国产A572-Gr5O钢板，主立柱板厚为5Omm。
从吊机的起吊能力和经济性出发，经过多次优化和比对，限制了板厚规格。A572板材选用规格种类主要控制在50、70、100mm等几种，降低了制造、运输、安装的成本难度。
4.1.2 主立柱截面的选取
主立柱需要承受非常大的荷载，其截面的选取对主钢框架的设计至关重要。根据最终的整体结构分析结果，主立柱基本荷载约为:静载63kN、活载24kN、风载43kN和地震荷载28kN，因此实际选取最不利工况下的荷载组合为112.6kN。每根立柱均需要受到X向和Y向的弯矩，且两个方向的内力组合基本相同。这一特性决定了立柱的截面特性需要X向和Y向的惯性矩及抗弯模量基本相同，正方形的箱形柱完全符合这一要求。
为保证足够的惯性矩和抗弯模量，并将板厚控制在合理的范围内，决定采用2500mm×2500mm的截面。由于构件最长的计算长度约30m，初步校核构件强度和整体稳定性可满足验算要求。但4块腹板的局部稳定性无法通过验算，必须设置纵向加劲肋。
外高桥二期的同类构件选用了内贴8块H型钢作为加劲肋，H型钢在翼缘板两端与立柱间采用角焊缝连接。这种形式的加劲肋仅用于提高立柱板的局部稳定性。该加劲肋在高度方向不连续，不能传递竖向荷载。因此改为在腹板内壁焊接8个T型加劲肋，该加劲肋在高度方向连续成为立柱主体承载构件的一部分。加劲肋与柱子合为一体都参与竖向荷载的传递也可以承受弯矩。T型加劲肋的腹板下端与立柱腹板间采用开坡口T形焊。与二期的截面相比，这类加强筋的设置对柱子的整体和局部稳定都好。与柱子不加加强筋的截面相比，截面承载力提高了28%左右。第一层主立柱的截面规格、材质与外高桥二期相同，但是加劲肋在高度方向的连续布置增加了加工难度和焊接工作量。立柱的上部和下部采用不同的截面是从合理并最大限度利用钢材的角度出发的，立柱中间以法兰形式连接。
4.2 柱脚的设计
本工程每个主钢框架柱脚均采用8根M68地脚螺栓。每组地脚螺栓套管用角钢和槽钢焊接构成框架组合。该框架可以在工厂内组合完毕，以保证每组套筒之间相对位置的准确，有利于避免在混凝土浇筑过程中发生位置偏移。地脚螺栓框架的顶标高在地脚螺栓套管盖板顶部(0.010m)。混凝土浇筑顶标高为±0.000，即地脚螺栓套管的盖板应高出混凝土上表面10mm。地脚螺栓保护套管的3mm厚盖板焊在套管上部，避免套管内进人污渍和积水。安装公司在吊装柱脚前，先切割掉保护套管的盖板，然后插人地脚螺栓开始安装柱脚。
该形式地脚螺栓完全满足了施工便利性和定位的精确度。最为重要的优点是，采用该形式后，大大增加了螺栓与基础混凝土之间的锚固表面积，因为在套筒内最终灌注高质量的灌浆料，保证了螺栓和套筒之间的可靠锚固，可以看作套筒与螺栓形成一体再锚固于基础混凝土内。这一点是预埋螺栓达不到的，从而减小了地脚螺栓的长度。
另外，地脚螺栓在计算中由风载引起的轴向力因煤仓间空气预热器等建筑结构的影响，会使基础风荷载减少10%。
4.3柱底板
4.3.1柱底板调平垫板的设计
本工程的柱脚设计为刚性连接，因此柱底板在工厂内与主立柱焊接后出厂。吊装时单件重量超过了80kN，如何调平柱底板成为技术难题。常规柱底板侧安装调平螺栓的方案不可行，使用锲块调节无法保证调整的有效性，因此采用了在柱底板下安装调平垫板的方案。
调平垫板分为两部分，下调平垫板安装在混凝土基础上表面60mm深的预留孔内。下调平垫板采用3个调平螺栓与基础留孔底面牢固接触。在调平垫板就位并调平后用灌浆料灌浆固定，并应保证灌浆后位置不会发生变化。在柱脚吊装前，调平垫板下的灌浆至少完成7d的养护期。上调平垫板在工厂内焊接到柱底板下，对应于下调平垫板的位置。上下调平垫板的接触面均需要铣平。
该方案的难点在于现场保证下调平垫板上表面的水平度，以及柱轴线相对于上调平垫板下表面的垂直度。根据实际安装后的验收结果，现有技术条件基本可以保证立柱垂直度达到规范要求的公差范围。其优点是在起吊安装过程中完全不需要再进行调平工作，在柱子就位后可以立即完成地脚螺栓的拧紧，吊机可以尽快松钩。
4.3.2柱底板的厚度计算
由于柱子截面较大(2500mm×2500mm)，加上承受的荷载大，因此柱底板规格非常大，后来的计算结果是3500mm×3500mm，厚度为140mm。
在材料预估时，由于对国产厚板的平整度估计过于乐观，尽管预留了上下各5mm的铣平余量。在材料进厂后，测量发现仅加工上表面10mm的余量仍然不够。最终采用先局部液压校平再铣平的方案才完成了单面铣平的工作。因此，在选用大尺寸国产厚板时应充分考虑材料的平整度问题，在综合考虑机加工工艺的基础上，选用适当的加工余量。
柱底板结构是这次外高桥项目的一个独特之处，因为从柱子的截面和结构方面考虑柱底板的尺寸会很大，这样在计算柱底板时，板厚必然很厚，一定要在结构上采取措施降低板的有效计算长度。通过采用在柱子内侧加隔仓板、在柱子的外侧加筋板的形式达到了这一目的。柱底板在局部是四边支撑板和三边支撑板，通过前面加板可以有效地减小板的边长，使得板厚降低。在隔仓板上部，柱子的内侧又装了一块隔板，隔板的上部和柱子的加强筋焊接，使得整个柱底板的传力系统和柱子的传力系统更好地结合起来。另外，柱底板的有效面积是柱底板面积减去开孔面积和旁边4块直角边支撑板所围成的面积。
4.4 主梁和主料撑
4.4.1 主斜撑连接节点的设计
原设计中，主斜撑与梁柱之间的连接板采用一端与斜撑或梁柱焊接，另一端螺栓连接。这样必须确保构件吊装时有100%的螺栓孔穿孔率。若出现较大的偏差，则整个螺栓孔群都无法穿孔。超长的箱形截面构件要求就位后误差在lmm左右，目前的工艺水平的确无法保证。对此，解决方法是全部构件出厂前进行预拼装。
为确保不进行预拼装情况下的斜撑节点板达到100%穿孔率，决定将原计划现场焊接一端的节点板改为全螺栓连接。在出厂时连接板一侧的螺栓孔先不钻，梁柱上预定位置的螺栓孔钻好。当斜撑吊装就位后，斜撑上端的螺栓全部拧紧，斜撑下部用挡块将其定位。此时吊机可以松钩。然后斜撑下端的节点板就位，现场在节点板上定位螺栓孔。节点板送回加工厂按照现场放样的位置钻孔，之后第二次吊装就位用高强螺栓固定。由于各方的紧密配合，最多增加2d时间就可以完成斜撑的安装，并且达到了节省预拼装、优良的穿孔率和避免现场焊接的目的，也没有过多地增加吊机占用时间。
4.4.2 关键斜撑的考虑
121.190m标高处，支撑于梁下的两个斜撑间距是两个大板梁之间的间距，这样的设置是为了更好地传力。由于斜撑长度比较长，截面比较大，故在节点设计时考虑分3段连接。中间的直段与柱子和梁采用法兰面连接，既可以保证安装的准确性，也降低了杆件起吊的难度。另外，主钢框架的斜撑吊耳在斜撑就位状态下，将其设置在斜撑的重心垂线上，这样斜撑可以更好地安装就位。
4.4.3 主梁抗震结构的考虑
抗震设防烈度在8度或者8度以上时，高层钢结构框架体系可采用中心支撑或偏心支撑，宜采用偏心支撑框架体系。偏心支撑框架充分利用支撑与梁交点间形成的耗能梁段在大震作用下产生的剪切或者弯曲屈服，保证支撑的稳定，提高结构的延性。与中心支撑框架相比，偏心支撑框架具有更好的耗能性能。
本工程支撑与梁采用刚接，耗能梁段的长度对偏心支撑受力性能的影响很大，采用较小的耗能梁段长度有利于结构的耗能和承载力的提高。
4.5 炉顶钢框架的设计思路
由于所有荷载都悬吊在炉顶钢框架上，荷载重、跨度大，所以把大板梁向内移到主钢框架的梁上，这样次梁的跨度减小后就有效降低了用钢量。
4.5.1 板梁的计算
（1）整个梁安装就位后对整个板梁的计算
考虑静载和风载的计算:在主钢框架和大板梁中间设支撑结构是为了保证板梁的稳定，所以做完板梁的总体计算后，必须对板梁的支撑结构进行计算，并且主要考虑风载的影响。
（2）吊装板梁下部时的计算
板梁下部长31.5m，考虑荷载为板梁所受静荷载并增加20%的安全余量。
（3）吊装板梁上部时的计算
板梁上部长31.5m，考虑荷载为板梁所受静荷载并增加20%的安全余量。
4.5.2 塔式炉的基本安装程序
大板梁下部构件的工字形截面构件，单件重量约51OkN。现场吊装若需要将两件拼装后同时起吊(起吊总重约1200kN)，除连接好其间的5块连接板以及支座端板(150mm厚度)以外，还应设置临时加固支撑。加固支撑应在吊装就位后拆除。之后需安装121.200m标高处的主钢框架大梁之间的加固支撑，支撑截面不小于H390×300型钢的断面。加固支撑在炉顶钢框架全部安装完成后拆除。
在大板梁支座端板与大板梁下部安装就位后，大板梁支撑析架(各一榀)与大板梁支座端板连接，使用高强度螺栓连接。此析架用于保证大板梁的整体稳定性。
炉顶大板梁的上部构件(每根大板梁三件)吊装就位并用高强度螺栓与支座板和大板梁下部连接。在吊装上部的最后一根构件前，需要将大板梁支座端板与大板梁下部构件的螺栓临时松开，使上部最后一根构件就位。安装上下叠合面时，先用销钉在相邻的若干区域穿孔定位。叠合面高强度螺栓的终拧应按照从中间向两侧的顺序操作。其中大板梁上部构件与支座端板连接只需要少量的临时螺栓，之后安装悬挑段时需要先拆除这些临时螺栓。
大板梁之间的9根次梁依次吊装就位后，炉前和炉后的大板梁悬挑段吊装就位。最后将烟道悬吊梁吊装就位。
4.6 高强度螺栓选取的考虑
本工程钢结构的节点采用高强度螺栓连接。主钢框架、空气预热器钢框架主构件的节点采用承压型、大六角高强度螺栓(A490M)连接，螺栓直径为M27、M30、M33和M36。辅钢框架等平台钢结构的节点采用摩擦型连接，扭剪型高强度螺栓，螺栓直径为M20、M24。预计整台钢结构需要约10万套高强度螺栓连接。
4.6.1 大六角高强度螺栓连接
参照GB/T1228~1231-1991、ASTMA490M(材料)和ANSI(技术条件)。大六角高强度螺栓连接选用材质为:螺栓M27，螺栓为35GrMo，螺母为35号钢，垫圈为45号钢;螺栓M30，螺栓为35VB，螺母为45号钢，垫圈为45号钢；螺栓M33，螺栓为35VB，螺母为45号钢，垫圈为45号钢；螺栓M36，螺栓为42VB，螺母为45号钢，垫圈为45号钢。
4.6.2 大六角高强度螺栓施工的预拉力和施工扭矩的选取
由于中国及美国标准对于施工预拉力的规定仅覆盖到M30，因此对于M33、M36的预拉力和施工扭矩需要根据螺栓的允许应力进行计算。首先由A490M标准的紧固轴力推算出紧固轴力为螺栓抗拉强度的0.6861倍。在此基础上计算出预拉力，并选定0.13的施工扭矩系数计算出施工扭矩。计算结果如下:螺栓M27，预拉力320kN，施工扭矩(参考)1550N·m；螺栓M3O，预拉力39OkN，施工扭矩(参考)19OON·m；螺栓M33，预拉力500kN，施工扭矩(参考)231ON·m；螺栓M36，预拉力585kN，施工扭矩(参考)2950N·m。
5、结论
塔式炉钢结构的结构分离特性较为突出，在设计初期应集中精力于主钢框架，以缩短整体工期。在明确了各部分钢结构的接口之后，可以实现多人分段式设计。这对于塔式炉钢结构设计工作具有一定的借鉴意义。但在以后的同类工程中还应加强结构优化设计，使塔式炉钢结构更加适应中国本土化的要求。
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