垃圾焚燒發電工程結構設計優化

姚樂

中國城市建設研究院有限公司

摘  要：近年來垃圾焚燒發電項目為綠色環保項目，越來越多的被地方政府重視，主廠房的設計中方案選型，地基基礎設計，計算軟件的應用，垃圾池的設計等的問題，通過工程論述垃圾發電廠主廠房的結構特點，為主廠房的經濟性，安全性提供很好的保障。

關鍵詞：選型特征整體計算satwe缺陷超長處理

1.       工程概況

鄆城垃圾焚燒發電工程垃圾處理功能：一期1200噸/日，年處理43.8萬噸；二期總規模1800噸/日，年處理65.7萬噸。綜合主廠房按二期工程一次性建成，一期工程配置兩條600t/d垃圾焚燒線+一套18MW汽輪發電機組。二期預留一條600t/d垃圾焚燒線及一套9MW汽輪發電機組設備的安裝用地。主廠房總建筑面積為29247.3m²，占地面積：15030.89m²。考慮廠房總長度及寬度超過規范規定的伸縮縫最大間距，結合工藝要求，擬在橫向設一條抗震兼伸縮縫。卸料大廳、垃圾池、鍋爐間、煙氣凈化間、石灰及活性炭間為一塊，采用鋼筋混凝土框架結構，屋面為鋼網架。化水間、汽機間、除氧間及中央控制室部分為一塊，采用鋼筋混凝土框架結構；鋼筋混凝土汽輪機基礎與主體結構設縫分開。廠房內設有一處垃圾儲存池，為鋼筋混凝土水池類結構，與主體相連，池底標高為-7.0米，池頂最高點標高為22.0米。主廠房結構的平、剖面見圖1，2。抗震設防烈度為7度（0.1g），設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.45秒。建筑場地土為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類。

2.       結構設計

2.1結構選型

垃圾焚燒發電廠主廠房結構考慮施工周期、結構剛度、防腐蝕能力、建筑的密封及造價等綜合論證及比較選定為鋼筋混凝土結構。

2.2    主廠房特征：

主廠房主體結構有以下幾點特征：（1）垃圾卸料大廳、垃圾池、焚燒間及煙氣間為單層結構，但局部夾層5層。（2）鍋爐鋼柱立在7m平臺處，非零米地面。且與主體結構不能分開（3）為體現建筑效果屋面為弧形，柱頂標高不同。（4）結構剛度小且不均勻（5）樓板開洞面積大，開洞率大于50%（6）廠房內的垃圾池與主體結構相連，導致結構剛度在平面和立面都不均勻（7）荷載工況除恒、活、風、及地震荷載外，有吊車等荷載，在進行受力分析及計算時做盡可能的簡化。

2.3地基基礎設計

廠區的選址在鄆城縣垃圾填埋場附近，位于鄆城縣二十里鋪村耕地及魚塘內。場地由第四系全新統黃河沖積層，主要有粉土和粘性土組成。故天然基礎不能滿足設計的承載力要求，依據地勘的資料及經濟性比較，選用了預應力混凝土管樁（PHC管樁），樁型號為PHC 500 AB 125 -15樁基持力層為?層細砂，進入持力層深度不小于1.5m。承壓承載力特征值1150KN。由于地勘給出的抗浮設計水位-3.0米（絕對標高41.3m）考慮，垃圾池的下方需做抗拔管樁，防止在垃圾池空載及維修過程中水浮力造成的主體結構的裂縫。但垃圾池在容納垃圾多的時候，抗拔樁還兼承壓作用，也要滿足承壓的要求，樁型選用PHC 500 AB 125 -11樁基持力層為?層細砂，進入持力層深度不小于1.5m。承壓承載力特征值1150KN，抗拔承載力特征值為416KN。且抗拔樁避免接樁。如果情況特殊需要接樁，應采用機械快速接頭連接，且用電焊封閉上下節樁的接縫。抗拔管樁的填芯混凝土及管樁內壁的粘結強度設計值現場試驗確定后，再重新核

2.4主體結構的整體計算

主體計算采用pkpm的satwe及pmsap兩個不同計算理論進行包絡設計，個別地方用pk進行單榀校驗，防止某些部位出現桿件偷懶(實際分攤的地震作用很小)現象。主廠房在進行主體設計和計算時采用了以下措施：主廠房體型復雜，結構四周均布置連續框架梁，以保證主體結構的整體剛度；主體結構錯層及局部夾層較多，根據各層樓板面積及荷載的多少，合理劃分樓層。主廠房樓板開洞較大，所有樓板按彈性模考慮。合理調整梁柱剛度，是結構剛度布置盡可能的均勻，由于主體與垃圾池相連，垃圾池的剛度對主體結構的影響很大，計算時需計入垃圾池的剛度。故在計算時垃圾池側壁按墻單元輸入，按框架-剪力墻結構進行計算；垃圾側壓力為荷載較大的側向水平力，對結構的影響較大，故按方向單獨設置成兩個工況，并驗算垃圾側壓力工況下的位移。將satwe與pmsap（空間模型）的計算結果做比較，分析產生差異的原因，糾正可能產生的輸入錯誤及程序計算范圍的限制合理地對計算結果取值。

在計算分析時選前3個主要振型結果對比。

主要振型計算結果

因satwe只能用折線梁板結構近似模擬網架而無法模擬空間弧形網架故兩種計算理論的周期存在差異。

對單層及多層的框排架結構規范隨未明確其彈性層間位移角的限制但為合理檢驗結構剛度，依然按框架結構的要求控制位移，見下表的計算結果。

主要移位計算結果

兩者位移計算結果基本吻合，但也存在差異，造成差異的主要原因是satwe計算功能的限制，樓板假定為彈性樓板平均分至各節點，對于樓板內剛度很小會大開洞的樓板無法正確計算各點的不均勻位移，對局部的節點位移計算產生較大的偏差，同時也無法正確分配水平力，導致無法正確計算出構件內力。另外垃圾側壓力對結構的變形也無法準確輸出，這些都是satwe軟件的限制，所以satwe盡管豎向荷載的計算相對準確，水平荷載下的計算會存在誤差，故不能單純采用satwe程序計算垃圾焚燒的主廠房，而是兼pmsap軟件包絡設計。

2.5垃圾池設計

垃圾池是垃圾焚燒發電廠最主要的部分之一，且土建造價比重較大及施工周期長。垃圾池內的垃圾其中一側最高可堆至22m，必然對主體結構產生較大的側壓力，垃圾側壓力的取值對主體結構的安全性及經濟性影響較大。由于垃圾的種類，密度的差異計算時應對垃圾側壁作適當的簡化。根據垃圾垂直分布的特點，垃圾的密度下密上松簡化為線性分布；由于垃圾內摩擦角由上至下呈現逐漸減小的熱點，故側壓力系數Ka簡化成上小下大的折線形分布。垃圾池所處的環境為強腐蝕環境，氣、固、液三態均有，介質種類復雜，酸性堿性不確定，故垃圾池的防腐設計非常重要。所以鄆城垃圾焚燒廠的垃圾池防腐措施為外表涂環氧玻璃鱗片及水泥基滲透結晶涂料，加自身的混凝土防腐，嚴格控制池壁與池板底裂縫，混凝土添加抗裂性防水劑；設置后澆帶，控制水泥砂石的種類及水灰比，加強施工組織及管理。

2.6混凝土超長設計

主廠房橫向127米，遠遠超過了《混凝土結構設計規范》所規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距。但因工藝流程的要求，結構無法設置永久伸縮縫，故采取措施控制混凝土干縮裂縫及溫度應力。本工程采取的是設置后澆帶且通過局部夾層配置雙層雙向鋼筋。由于主廠房超長，垃圾池并不居中，且垃圾池剛度很大，混凝土溫度伸縮縫將集中在一側，故框架將產生不可忽略的溫度應力，需計入溫度應力的影響。溫度應力計算溫差采用正負25^oC，根據計算結果再次調整梁柱配筋。

4．結論

1）垃圾焚燒廠由于其廠房的不規則性，satwe軟件計算時水平荷載下的計算結果誤差較大，最好用另一套不同計算理念的軟件進行包絡設計；

2）垃圾池設計應合理考慮垃圾側壓力對主體結構的影響，局部相連接的樓板作為池壁的側向支撐避免垃圾池變形，并且采用防腐蝕措施；

3）結構要從多方面，例如：結構剛度、防腐能力、建筑物密閉性等因素滿足工藝要求，且做到安全經濟的設計。

參考文獻：

（1）        徐至鈞《預應力混凝土管樁基礎設計與施工》機械工業出版社 2005

（2）        徐榮年《工程結構裂縫控制----步入“王鐵夢法及銓補”》中國建筑工業出版社。

（3）        GB50011—2010《建筑抗震設計規范》中國建筑工業出版社，2010

（4）        GB50010—2010《混凝土結構設計規范》中國建筑工業出版社，2010