刚性梁设计
刚性梁分围绕式（水平式）和栅格式两种类型，本文仅叙述围绕式刚性梁的有关问题。
第一节悬吊锅炉膨胀中心
1.1 自然膨胀中心
悬吊锅炉自然膨胀中心随锅炉几何形状和温度分布（运行工况）的变化而变化，很难确定，对设计工作没有实际意义。
1.2 人为膨胀中心
锅炉本体设计时，人为地预先设定一个使锅炉受热前后空间位置不变的部位，即为我们通常所称的人为膨胀中心。
1.2.1设置人为膨胀中心的目的
设置人为膨胀中心是为了准确计算热膨胀位移，便于应力分析和密封设计。
1.2.2膨胀中心位置选择
从广义上讲，膨胀中心应由膨胀零线和膨胀零点组成，其位置的选择与锅炉炉型、结构和锅筒吊杆的柔度等因素有关。
1.2.2.1膨胀零线双炉膛∏型锅炉选择靠近炉膛后墙通过锅炉对称中心线的一条竖直线作为膨胀零线，其它形式的锅炉一般选择炉膛中心线作为膨胀零线。
1.2.2.2膨胀零点随锅炉顶部结构不同而异。
(1) 没有炉顶小室（顶护板）的锅炉选膨胀零线与过水冷壁和后竖井上集箱中心线平面的交点、或者水平布置的顶棚过热器支吊平面的交点作为膨胀零点。
(2) 设有炉顶小室的锅炉选择膨胀零线与炉顶小室顶部上表面的交点作膨胀零点。
1.2.3位移保证
为了使管墙受热时，按预定方向膨胀，刚性梁与膨胀零线对应处，即过膨胀零线的管墙（刚性梁）的水平垂线垂足处，必须与管墙固定，其余位置必须保证管墙能相对自由地滑动。而且应沿锅炉高度方向设置最少二层（后竖井）或三层（炉膛）导向装置。
第二节刚性梁的作用与工作原理
2.1 作用
刚性梁（图1）是沿着锅炉炉膛和竖井四周布置的结构系统，对管墙起箍紧和提高刚度的作用，保护管子使其在锅炉最大瞬时允许压力作用下不产生永久变形。
2.2 工作原理
以两侧墙为例说明刚性梁的工作原理（图1），炉内压力和风荷载或地震
作用→管墙→张力板→连接件→刚性梁→角部结构→前后墙张力板（炉内压力自
图1 刚性梁结构简图
1－前墙2－侧墙3－张力板4－连接件5－刚性梁6－角部结构
第三节荷载
3.1 永久荷载P
G
3.1.1膨胀力
膨胀力系由锅炉人为膨胀中心与自然膨胀中心不一致而产生，是经验数据，可按表1采用。
表1 锅炉膨胀力
3.1.2支吊部件荷载
应尽量避免在刚性梁上支吊部件，否则应按实际情况统计其荷载。
3.2 炉膛额定工作压力P
平衡通风锅炉P
＝0
正压锅炉P
按技术协议规定。
3.3炉膛压力
按下列规定或按相关技术协议采用。
3.3.1锅炉爆燃压力P
N
平衡通风锅炉P
N
＝1.993kpa
正压锅炉P
N ＝P
+1.993kpa
3.3.2炉膛最大瞬时容许压力P
M
P
M
是环境温度下送风机或引风机试验装置的额定性能值，但不大8.718kpa 和不小于－8.718kpa。
3.3.3炉膛设计压力P
F
P F ＝P
M
/1.5＝0.667P
M
3.3.4蒸发量不大于670ｔ/ｈ的锅炉 P
F
＝2.942kpa
P
M
＝1.50×2.942＝4.413 kap 3.4 风荷载和地震作用
当风荷载P
W 与地震作用P
E
同时存在时只取其中较大者。
第四节
设计方法
4.1 设计方法
鉴于目前国家有关规范未涉及本结构的设计问题，所以刚性梁仍采用按荷载标准值和定值安全系数的容许应力设计法。即：
σ≤[σ] （1）
式中 σ－荷载标准值作用下构件的应力。 [σ]－钢材的容许应力 4.2 安全系数与容许应力
刚性梁设计中采用定值安全系数 K ＝1.5。 容许应力 [σ]＝f y / K ＝f y /1.5 （2）
式中 f y －钢材屈服强度，在工作温度下可按表2折减采用。
表2 温度对钢材屈服强度的影响
第五节
设计准则
5.1 强度准则
在（永久荷载P G ＋炉膛设计压力P F ）作用下：
σ≤[σ]
在（P G ＋炉膛额定工作压力P 0＋风荷载P W ）作用下：
σ≤[σ]
在（P G ＋P 0＋地震作用P E ）作用下：
σ≤1.25[σ]
在（P G ＋P 0＋爆燃压力P N ）作用下：
σ≤1.25[σ]
在（P G ＋炉膛最大瞬时容许压力P M ）作用下： σ≤f y 5.2 刚度条件 5.2.1正常运行刚度
在锅炉爆燃压力P
N
作用下，刚性梁的相对挠度值不得大于1/360跨度。5.2.2瞬时刚度
在炉膛最大瞬时容许压力P
M
作用下，刚性梁的最大挠度限值必须使管子的弯曲应力不得大于管子材料在工作温度下的容许弯曲应力，即保证管墙不发生永久变形。
第六节刚性梁间距
刚性梁间距太大会使管子产生过大的弯曲应力，达不到保护管墙的目的，间距太小会使材料浪费。因此，合理选择刚性梁的间距，对设计经济可靠的刚性梁系统是十分重要的。
6.1 最大间距
6.1.1正常区域
6.1.1.1计算假设
(1)把膜式管壁视为正交各向异性板，弯曲荷载由管子轴向弯曲刚度承担。
(2)忽略鳍片作用和管子之间的相互影响。
(3)将刚性梁作为无沉陷的刚性支座。
6.1.1.2计算公式：在上述假定条件下，把管壁简化为一根承受均布荷载，支承在刚性梁上的三个等跨连续梁进行分析。因此可得刚性梁最大间距的计算公式如下：
h max = 10[σ]
b
W/ｑ≤96d （3）
式中 q = P
M
S
S－管子节距；
ｄ－管子外径；
W－管子截面模量
[σ]
b
－最大瞬时容许压力作用下，管子容许弯曲应力
[σ]
b ＝1.8[σ]－σ
L
.
P
－σ
L
.
W
（4）
[σ]－管子材料在工作温度下的容许应力；
σ
L .
P
－管子压力产生的轴向应力；
σ
L .
W
－管子外荷载产生的轴向应力。
6.1.2特殊区域
按式（3）计算的刚性梁最大间距仅适用于正常区域，特殊区域刚性梁的布置应按下列规定。
6.1.2.1冷灰斗（斜炉底）区域刚性梁最大间距：
斜坡中间区域刚性梁最大间距为前后水冷壁正常区域刚性梁最大间距的2/3，接近上拐点的刚性梁与拐点之间的最大距离为前后水冷壁正常区域刚性梁最大间距的1/2，且不少于1220mm；接近于下喉口的刚性梁应尽可能接近下拐点，一般为910mm。
6.1.2.2位于其它拐点或硬点（例如：顶棚管、起拱部分及环形、∏形集箱等处）附近的刚性梁到拐点或硬化点的最大距离为相应部位正常区域刚性梁最大间距的2/3。
6.2 设计采用间距
刚性梁最大间距还应根据锅炉本体（门孔、膨胀中心等）、构架和平台扶梯的布置情况作适当调整，并通过强度计算、挠度分析和管墙应力分析等综合考虑决定。能使管子弯曲应力不超过其容许弯曲应力的刚性梁间距才是设计采用的间距。
第七节刚性梁挠度分析
7.1 管道模型法
7.1.1基本假设
7.1.1.1管墙为正交各向异性板。
7.1.1.2弹性模量和泊松比采用常温值。
7.1.1.3忽略鳍片作用
7.1.1.4刚性梁视为弹性支座。
7.1.2分析方法
7.1.2.1管子弯曲应力：把管子按支承在刚性梁上的多弹性支点管道模型进行应
。
力分析，计算其最大弯曲应力σ
bmax
7.1.2.2支座刚度、柔度：计算弹性支座（刚性梁）的刚度或柔度时引入当量刚度系数或当量柔度系数，其定义为：
当量刚度系数K＝q h
B
/△
当量柔度系数ｆ＝△ /q h
B
式中 h
B
－刚性梁的承载间距，等于相邻刚性梁间距之和的一半；
△－刚性梁的最大挠度值，按下式计算；
△＝5Q
B
ι3/ 384EI
Q B －刚性的均布荷载，按炉膛最大瞬时容许压力P
M
计算；
ι－刚性梁跨度。
7.1.2.3评定：若σ
bmax ≤ [σ]
b
，则刚性梁的最大挠度值合格。否则须调整刚
性梁的间距或增加刚性梁的截面高度。
设计中往往发现，满足强度要求的刚性梁不一定满足刚度要求，并非是理想的设计。如果能适当地调整刚性梁的间距或截面，使管墙各层刚性梁的最大挠度值沿管墙高度方向较平滑地变化，则可使管子的弯曲应力降到较低值，从而增加强度贮备，延长管墙寿命。
图 2
7.2 梁模型法
梁模型法只用于特殊区域刚性梁的挠度分析。
7.2.1接近管墙拐角的刚性梁挠度分析
管子近似按悬臂梁（图2）计算。设离拐角为ｌ处的刚性梁最大挠度为△；
则管子承受的弯曲力矩为：
M＝3EI△/ι 2
管子弯曲应力
σb＝M / W≤[σ]ｂ（5）
式中ι为定值，M随△的增加而增大，从而导致σ
ｂ
增大，因此刚性梁的最大挠度值△必须满足式（5）的要求。否则应提高刚性梁的刚度。
7.2.2管墙交接（角部）区域刚性梁挠度分析
角部区域管墙可近似按二端固定梁（图3）计算。若距交接角为ι处（一般为第一个连接件位置）的刚性梁最大挠度为△，则：
管墙角部管子的径向弯矩为
M＝6EI△/ι 2
图 3
管子单位长度上的鳍片弯曲应力为
σ＝6M / t02≤[σ] （6）
管子的径向线荷载为
P
ι＝σ.ｔ
＝6M / t
≤[P
ι] （7）
式中ｔ
－鳍片厚度；
[σ]－鳍片材料在工作温度下的容许应力；
[P
t
]－管子容许径向线荷载，可根据管子外径与其
壁厚平方比由图4确定。或按下式计算。
[P
L
]＝ｅ｛ln4000＋[（ln4000－ln2330）/（ln10－ln6）].[ ln6－ln
（d
/ｔ2）]｝b/in
式中d－管子外径（in）；
ｔ－管子壁厚（in）；
（注：1in＝25.4ｍｍ；1ｂ/in＝0.175N/ｍｍ）
显然，当ι为定值时，刚性梁的最大挠度△必须同时满足式（6）和（7）的要求。否则应调整刚性梁的高度。
图 4
管子容许径向线荷载图
7.3挠度限值和频率要求
刚性梁的挠度限值主要是使其有足够的刚度,以作为管墙的支座，减小管子弯 曲应力，保证其有一定的强度贮备；有的制造厂还要求刚性梁的固有频率不小于3赫，这是受均布荷载的等截面简支梁自由振动时第一振型（最小）频率，其物理意义是使刚性梁受到与计算挠度限值相等的炉膛爆燃压力冲击时，自由振动的最大振幅不超过挠度限值，目的也是为了减小管子附加弯曲应力。前者是必要条件，后者为充分条件。 固有频率按下式计算：
3EIg
2f 2≥+=
WH
A L γπ
式中： E —刚性梁材料的弹性模量kg/mm 2 ；
I — 刚性梁截面强轴惯性矩mm 4
；
γ— 刚性梁单位体积重量kg/mm 3；
A—刚性梁截面积mm2 ；
L—刚性梁的长度mm；
H—刚性梁分担炉内压力的管壁高度mm；
g —重力加速度mm/S2；
W—管墙单位面积重量kg/ mm2。
第八节垂直刚性梁
8.1 应用场合
为了减小刚性梁的跨度，使其截面高度比较合理，以便连接和减小刚性梁对管子的弯矩。当锅炉侧墙宽度很大以及炉膛和后竖井的刚性梁标高不一致时，一般需要采用垂直刚性梁。
8.2 布置
垂直刚性梁布置在水平烟道侧墙与炉膛后墙或后竖井前墙上集箱相对应的竖直位置上。当水平烟道较长时，可在两处同时布置。
8.3 荷载传递
8.3.1自重
垂直刚性梁的自重由靠近上端与管墙固定的连接件传给侧墙（其余连接件应能保证管墙可相对滑动）。
8.3.2支座反力
垂直刚性梁的支反力由端部连杆传递给上集箱和与下端相对应的张力板。
第九节导向结构
9.1作用
导向结构的作用是保证锅炉膨胀中心位置在受热前后不发生变化，使锅炉在各种工况下都能以与膨胀零线相对应的位置为原点，按预定方向膨胀。
9.2 荷载
导向结构主要承受锅炉膨胀力、风荷载或地震作用。
9.3 结构
导向结构（图5）由导向装置（导向架、限位块）、剪切件和塞块（或梳形板）组成。
图5 导向结构
1－导向架2－限位块3－剪切件4－塞块5－张力板 6－刚性梁7－膨胀原点
9.4 布置
导向结构一般沿锅炉高度方向，炉膛部分按上中下三层，后竖井部分按上下二层设置。且应尽可能接近构架水平支撑层的位置。
9.4.1塞块和剪切件布置
塞块与剪切件必须设在与膨胀零线相对应的位置。
9.4.2导向装置布置
导向装置可以设在与塞块和剪切件相对应的位置上。也可以根据构架、平台布置等具体情况沿水平或高度方向作适当调整。
9.5 强度计算
导向结构强度计算的关键是决定张力板与管子和塞块（或梳形板）的连接焊缝，为了保护管子不被拉坏，它除了满足强度条件外，还要求有一定的长度。
9.5.1根据管子的容许径向线荷载[P
l ]决定焊缝长度L
W
（图6）
图 6 导向荷载分布图由几何关系得：
ｂ＝2 L
W
tgα
由力的平衡条件得：
[P
L
]ｂ/2＝H/ｎ
∴L
W ＝H/ｎ[P
L
] ｔｇα
式中H－作用于导向结构的荷载；
ｎ－荷载分配系数，与膨胀原点的位置有关，若在管墙中间，则荷载可往二个方向传递，ｎ＝4，若在管墙边上，则荷载只能向一个方向传递，ｎ＝2；
α－力线角，理论值为45°，实用可取α＝35°。
9.5.2焊缝强度计算
采用钢板张力板时，张力板一部分与管子焊接，一部分用塞块与管墙连接；采用槽钢张力板时，除前者外，也可应用梳形板与管墙连接。
用塞块的焊缝（图7）强度计算
τ＝H/2X0.7ｈｆιW
＝H/1.4ｈ
ｆ（ｎ
1
ｂ
1
＋ｎ
2
ｂ
2
）≤[τ]
式中：n
1、n
2
－分另为在ι
W
长度内的管子和塞块数量；
b
1、b
2
－分别为张力板与管子和塞块的焊缝长度，ｂ
1
可根据管子外径按表3采用；
ｈ
－角焊缝的焊脚尺寸；
f
[τ]－焊缝的容许剪应力。
图7 张力板与管墙连接
1－塞块2－管墙3－张力板
用梳形板连接时应分别计算其与管墙和张力板连接的焊缝强度。
表3 张力板与管子的可焊长度（mm）
第十节结构措施
为了充分发挥保护管墙的作用，刚性梁除了满足强度和刚度要求之外，还必须采取合理的结构措施。
10.1张力板
10.1.1作用
张力板与角部结构组成一个封闭系统，使炉内水平压力达到自平衡，以免传给锅炉构架。
10.1.2设计
张力板是既受拉压又受弯的杆件，应按压弯杆设计，连接管墙与张力板的耳
板可视作其平面外的支撑，容许长细比[λ]＝200。
10.2连接件
10.2.1连接要求
连接件（图8）应与张力板焊接固定，与刚性梁的连接必须能保持相对滑动。
10.2.2布置
靠近管墙的连接件距管墙中心线约1220mm。
管墙中间的连接件最大间距ａ可近似按下式计算
ａ＝0.28kN.ｍ/q
B
（0.5h＋C）
式中q
B
－刚性梁单位长度重量；
h－刚性梁高度
C－炉墙厚度
图 8 连接件
1－连接件2－耳板3－刚性梁4－张力板
10.3耳板
10.3.1连接
耳板（图9）与张力板的连接不得阻碍管墙的热膨胀；与管子的连接焊缝
应满足强度和长度要求。
10.3.2焊缝长度L
W
的确定（图9ｂ）
∵P
L . L
W
/ 4x2L
W
/3＝Qa
∴P
L ＝6 Qa / L2
W
≤[P
L
]
故L
W ≥ 6 Qa/ [P
L
]
10.3.3布置
耳板位置可与连接件相对应，同时兼顾张力板的稳定。
10.4校平装置（图10）
10.4.1作用
校平装置的作用是：作刚性梁外翼缘的侧向支撑（图10a）维持刚性梁与管墙垂直以及减小刚性梁对管墙的弯矩（图10b）。
图 10 校平装置简图
1－校平装置2－刚性梁3－管墙
10.4.2设置条件
当刚性梁受压翼缘的整体稳定性不能保证或刚性梁对管墙的弯矩M＝ｑ
B （0.5ｈ＋C）≥0.28kN.ｍ时，一般都应该布置校平装置。
10.4.3布置
刚性梁端部的校平装置距管墙中心线2000mm左右；中间的校平装置的最大间距；当作为减小管墙弯曲力矩时约5000mm；作侧向支撑时为刚性梁受压翼缘的非支撑长度，宜在刚性梁跨中设一根。
10.4.4连接
为补偿刚性梁之间管墙的胀差，校平装置须一端固定连接（一般在下端）一端滑动连接。
10.4.5荷载
校平装置设计荷载包括刚性梁重量及其受压翼缘的稳定支撑力和可能有的支吊部件荷载。
10.5角部结构
角部结构（图11）由角板、连杆和销铀等组成，主要功能是作刚性梁的支座，于是应按刚性梁的支反力进行强度计算。
角板和刚性梁端部开孔的位置要符合三个要素，即要满足强度条件，要易于膨胀位移补偿和使传力路线最短（即角板的孔中心在张力板轴线的延长线位置，且与刚性梁端部的孔中心偏移△/2，△为相应管墙膨胀量）。
图 11 角部结构
1－角板2－连杆3－销轴4－刚性梁5－张力板
10.6集箱端部连接板
垂直刚性梁的上端通过连杆与集箱端部连接，为此，集箱端部需要预焊连接板（图12）。其尺寸可按下列方法确定：
图 12 集箱端部连接板
10.6.1厚度ｔ
连接板厚度ｔ按挤压强度条件决定。
10.6.2孔端距ａ
连接板孔端距ａ按剪切强度条件确定。
10.6.3尺寸ｅ
连接板尺寸ｅ可按弯曲强度条件决定。
为安全起见，采用图13所示梁模型的端弯矩作用于截面I-I计算连接板尺寸ｅ。由此可得：
＋ｅ）/8
M＝P（D
O
∵M/W≤[σ]
即6M/te2≤[σ]
图 13
式中W－截面I－I的强轴模量；
[σ]－工作温度下，连接板材料的容许应力。
10.6.4尺寸ｂ
连接板尺寸ｂ也由弯曲强度条件控制，可偏安全地由图14所示的梁模型
计算截面II－II的弯矩决定尺寸ｂ。
M＝P（D
＋ｅ）/4
由M / W≤[σ]
若取W≈t（b2-d2）/6
则得6M / t（b2-d2）≤[σ]
故ｂ≥6M /ｔ[σ]＋d2
式中W－截面II－II的强轴净模量。
图 14
10.6.5尺寸C
连接板尺寸C（焊缝长度）由集箱容许径向线荷载[P
L
]决定。该处焊缝除承
受剪力外，亦承受由图13所示梁模型计算的端弯矩引起的径向线荷载P
L
。
∵P
L ≤[P
L
]
∴ C≥]
[P
6M/
L
M＝P（D
＋ｅ）/8
参考文献:
1 中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册：第I卷，锅炉（第10、12和18章）北京：机械工业出版社，2000
2 范钦珊、朱祖成译材料力学手册.北京：中国建筑工业出版社，1981