北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司（以下簡稱：首鋼國際工程公司）憑借多年從事建筑結(jié)構(gòu)尤其是冶金系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)服務(wù)積累的豐富經(jīng)驗，組織精英團(tuán)隊對首鋼京唐鋼鐵廠5500立方米高爐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了深入分析研究，積極開拓創(chuàng)新，成功自主設(shè)計了5500立方米高爐整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。自2009年5月，首鋼京唐鋼鐵廠5500立方米高爐投產(chǎn)以來，生產(chǎn)實踐表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性能穩(wěn)定，設(shè)計理念和產(chǎn)品均達(dá)到國內(nèi)同類領(lǐng)域的領(lǐng)先水平，受到國內(nèi)外專家的一致認(rèn)可和廣泛好評，具有良好的社會效益和市場推廣價值。

    1、首鋼京唐5500立方米高爐整體結(jié)構(gòu)的計算分析背景

　　由于國內(nèi)已有的最大高爐為4000立方米級，對于5500立方米高爐沒有相關(guān)的設(shè)計、施工經(jīng)驗。開展5000立方米以上特大型高爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，受力分析如何進(jìn)行，計算簡圖如何選取，采用什么計算軟件，計算結(jié)果如何分析，規(guī)范邊緣的問題如何解決，怎樣才能做到創(chuàng)新設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計等等一系列科學(xué)設(shè)計攻關(guān)的難題擺在面前。

　　首鋼國際工程公司高爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊本著以我為主、自主研發(fā)、自主創(chuàng)新、開放合作的思路開展設(shè)計。設(shè)計方法由經(jīng)驗設(shè)計為主向科學(xué)精準(zhǔn)設(shè)計轉(zhuǎn)變，設(shè)計分析模型由簡單桿系向空間有限元轉(zhuǎn)變，并由此專門購買了韓國浦項公司研發(fā)的大型空間有限元分析軟件MIDAS，及德國研發(fā)的SOFISTIK有限元軟件，加上已有的SAP2000以及ANSYS有限元軟件，軟件力量配備雄厚。高爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊運用這些大型空間分析軟件，對5500立方米高爐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)、系統(tǒng)的分析，并多次邀請專家對計算結(jié)果進(jìn)行論證，并最終獲取了合理的計算分析結(jié)果。

　　2、首鋼京唐5500立方米高爐整體結(jié)構(gòu)的計算分析描述

　　2.1高爐爐殼結(jié)構(gòu)計算分析

　　高爐結(jié)構(gòu)中高爐爐殼的設(shè)計計算分析占據(jù)著非常重要的地位。原來國內(nèi)各設(shè)計單位對于高爐爐殼結(jié)構(gòu)分析主要有兩種方法：一是依據(jù)前蘇聯(lián)經(jīng)驗公式確定爐殼板厚的方法，這是一種經(jīng)驗公式計算法，顯然不適用于特大型高爐計算；二是將爐殼整體簡化為桿系模型進(jìn)行分析并據(jù)此建立局部實體模型分析的方法，這種方法計算誤差也比較大。

　　首鋼京唐5500立方米高爐爐殼高度49.06m，最大直徑18.6m，爐殼結(jié)構(gòu)表面開孔尺寸較大且數(shù)量繁多，幾何模型復(fù)雜，常規(guī)計算分析軟件無法完成分析工作，為此應(yīng)用大型通用有限元分析設(shè)計軟件MIDAS對高爐爐殼進(jìn)行分析，并采用ANSYS進(jìn)行驗證性設(shè)計與校核。幾何模型的建立和有限元網(wǎng)格的劃分是首先要解決的難點，需要同時考慮大量邊界約束、單元尺寸及形狀、結(jié)構(gòu)整體模型大小、荷載作用范圍、計算精度等多方面影響因素的限制且耗時長的繁重工作。在沒有任何先例可借鑒的情況下，進(jìn)行多次試劃分工作，最后確定了最終的幾何模型和網(wǎng)格尺寸。

　　經(jīng)過建模試算，對爐殼結(jié)構(gòu)整體及局部區(qū)域的應(yīng)力分布有了較全面的認(rèn)識，使?fàn)t殼結(jié)構(gòu)設(shè)計大大超越了傳統(tǒng)經(jīng)驗簡化設(shè)計方法，并取得了如下成果：1）通過建立精確的分析模型，極大程度地提高了設(shè)計精度。2）定量確定各開孔周圍及角部的應(yīng)力狀態(tài)，為高爐開孔的形狀合理性提供了科學(xué)依據(jù)。3）首次提出同時考慮環(huán)境溫度升高及底端約束會導(dǎo)致爐殼底端與爐底封板連接部位彎曲應(yīng)力過大的問題。4）確定了鐵口局部加強(qiáng)措施，驗證了措施的合理性。5）確定了爐殼沿高度及水平方向產(chǎn)生的變形量，為爐殼及爐體框架之間設(shè)置合理的間隙提供了科學(xué)依據(jù)。6）給出了與以往規(guī)范不同的建議考慮的振型數(shù)目。在專家論證會上，與會專家、教授對所建立計算模型的合理性與精確度、完成的工作及取得的成果均給予了高度的評價和肯定。該高爐爐殼的結(jié)構(gòu)計算、分析填補(bǔ)了5000m3級特大型高爐爐殼國內(nèi)設(shè)計分析的空白，創(chuàng)造了國內(nèi)最大高爐爐殼設(shè)計新紀(jì)錄。

　　　2.2高爐本體結(jié)構(gòu)整體計算分析

　　1）通過精確計算和分析，解決了傳統(tǒng)的爐殼與爐體框架水平位移的影響，使各部分受力簡潔明確，傳力途徑簡單清晰，簡化了結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點做法，并節(jié)省了投資。

　　2）對爐頂框架按照無斜撐框架、有斜撐框架、爐頂框架調(diào)轉(zhuǎn)90度三種結(jié)構(gòu)形式方案分別計算爐頂框架及吊車梁位移。通過計算分析和比較決定采用爐頂框架調(diào)轉(zhuǎn)90度方案，使?fàn)t頂框架和吊車梁位移滿足規(guī)范要求。

　　3）對粗煤氣系統(tǒng)的殼體及管道按照殼單元劃分，解決了傳統(tǒng)的用桿系帶來的剛度和變形誤差，對應(yīng)應(yīng)力集中部位采取局部加強(qiáng)，實現(xiàn)了受力合理性，以及計算模型與實際結(jié)構(gòu)在相互幾何關(guān)系及受力狀態(tài)最大限度地吻合。

　　4）通過計算分析，可避免管道、殼體交接處的應(yīng)力集中過大，調(diào)整上料主皮帶通廊，高爐電梯，爐頂框架之間的相對位置等方案，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)體系。

　　2.3高爐基礎(chǔ)、熱風(fēng)爐基礎(chǔ)、高爐鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)計算分析

　　高爐基礎(chǔ)、熱風(fēng)爐基礎(chǔ)屬超大體積鋼筋混凝土基礎(chǔ)。高爐基礎(chǔ)厚度8.5m，共11000多立混凝土?；A(chǔ)設(shè)計中除強(qiáng)度保證以外，基礎(chǔ)的整體沉降、相鄰基礎(chǔ)的沉降差以及混凝土裂縫的控制和混凝土防腐蝕為設(shè)計中的難點。大體積鋼筋混凝土基礎(chǔ)必須充分考慮混凝土釋放的大量水化熱的不利影響，結(jié)合施工措施通過對混凝土的溫升及抗裂度進(jìn)行計算，確保高爐基礎(chǔ)混凝土一次連續(xù)澆注成功，創(chuàng)造了國內(nèi)最大體積高爐基礎(chǔ)混凝土一次澆注記錄。

　　計算分析過程中，通過對地勘單位提供的內(nèi)摩擦角，壓縮模量，附加應(yīng)力系數(shù)等土層參數(shù)進(jìn)行研究和探討，糾正了地質(zhì)資料中原始數(shù)據(jù)的錯誤。由于高爐結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，設(shè)計規(guī)范對此有很大的局限性和不適用性，為此設(shè)計團(tuán)隊專門與規(guī)范的編制人交流，明確了規(guī)范適用條件、荷載取值和計算方法。建立了彈性地基梁模型、倒樓蓋模型、單向壓縮分層總和法－彈性解、單向壓縮分層總和法－彈性解修正等四種計算模型進(jìn)行計算比較，并最終采用彈簧單元模擬基樁的倒樓蓋基礎(chǔ)模型。通過采用高性能混凝土及HRB400鋼筋等新材料，結(jié)合控制水灰比、摻加鋼筋阻銹劑等措施，合理控制了基礎(chǔ)的強(qiáng)度，使裂縫和防腐等問題滿足了相關(guān)規(guī)范要求。

　　高爐鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為高架式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，屬于動力基礎(chǔ)范疇。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)計算分為動力計算和靜力計算兩部分。動力計算保證設(shè)備與基礎(chǔ)構(gòu)成的整體體系的振動位移和振動速度在設(shè)備可接受的容許范圍之內(nèi)從而保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。靜力計算保證整個體系在設(shè)備故障、地震等極端不利情況下不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。為了準(zhǔn)確模擬設(shè)備基礎(chǔ)的動力特性，采用MIDAS程序進(jìn)行建模計算，荷載考慮了設(shè)備及基礎(chǔ)自重、設(shè)備的擾力荷載、電機(jī)的短路力矩，設(shè)備的當(dāng)量荷載及地震荷載及其它附屬荷載。設(shè)備基礎(chǔ)底板用彈簧模擬樁基礎(chǔ)。

　　對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度避開設(shè)備與基礎(chǔ)體系的共振區(qū)。并通過多次與外方交流，制定了動力基礎(chǔ)計算分析需要的資料模板，荷載種類（主要為擾力與不平衡系數(shù)K的不同）及外方資料模板要求，為以后工程設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　2.4高爐事故水塔計算分析

　　首鋼京唐500m3事故水塔為全鋼結(jié)構(gòu)的國內(nèi)高爐工程最高（H=75m）的事故水塔。因水塔在充水時水容易形成紊流與渦流，都可能產(chǎn)生振動。當(dāng)水體的晃動周期與支撐筒體的自振周期接近時，水塔結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生振幅較大的振動，引起人員恐慌，影響正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時還會發(fā)生安全事故。為了避免振動事故的發(fā)生，考察了國內(nèi)大量的高爐事故水塔，仔細(xì)分析了結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點。并邀請浙江大學(xué)著名鋼結(jié)構(gòu)專家聯(lián)合設(shè)計，對水塔的支撐結(jié)構(gòu)形式，以及球形水柜的支撐方式和位置，進(jìn)水口的位置進(jìn)行了充分的論證。采用MIDAS及ANSYS兩種程序進(jìn)行分析計算，投產(chǎn)以后的實踐表明了前期方案的合理性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過本次設(shè)計研究，還發(fā)現(xiàn)球形水柜的支撐圈位置，選擇在從頂部往下量120度處時，球體內(nèi)的無矩內(nèi)力不會出現(xiàn)壓力，而且在支撐圈處無矩內(nèi)力處于單向受力狀態(tài)，這樣既避免了球殼出現(xiàn)受壓屈曲的可能性，又避免了支撐圈這一受力復(fù)雜、應(yīng)力集中的部位出現(xiàn)雙向受拉這種不利的應(yīng)力狀態(tài)。同時，在剛度參數(shù)不變的情況下，支撐圈選擇在120度時，支撐環(huán)的應(yīng)力最小，從而能夠處在較低的應(yīng)力水平工作。

　　2.5其它結(jié)構(gòu)計算分析

　　在高爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還充分采用MIDAS軟件對熱風(fēng)爐爐殼，大型鋼結(jié)構(gòu)上料料倉，鋼筋混凝土煙囪，噴煤主廠房鋼結(jié)構(gòu)等重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)、精確的分析。科學(xué)的計算結(jié)果一方面創(chuàng)新優(yōu)化了設(shè)計，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司的整體設(shè)計實力，提升了公司的社會認(rèn)可度和知名度，對公司的市場開發(fā)做出了巨大的貢獻(xiàn)。另一方面幫助公司造就了一批尖端設(shè)計人才，有利于公司的長遠(yuǎn)發(fā)展。

　　首鋼國際工程公司高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊通過首鋼京唐鋼鐵廠工程的歷練，設(shè)計分析水平已經(jīng)上升到國內(nèi)領(lǐng)先水平，并且已經(jīng)和清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京科技大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)等科研單位建立了相對固定的學(xué)術(shù)交流與合作，在團(tuán)隊發(fā)展過程中，能夠持續(xù)地結(jié)合各建設(shè)單位、施工單位的日常生產(chǎn)及建設(shè)過程中的意見，揚長補(bǔ)短，不斷創(chuàng)新設(shè)計理念，優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)品。基于用戶需求，承諾在最短時間內(nèi)為用戶提供技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠，切實滿足生產(chǎn)需要的具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的高爐系統(tǒng)，是首鋼國際工程公司永恒的追求。