鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性研究

徐德龍

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 150036）

摘要：鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)布局有著不同的變化形式，它的荷載條件非常復(fù)雜，在部分大型鍋爐中，其鋼結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，桿件數(shù)量非常多，如600MW鍋爐的結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部的桿件有千根之多。而鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)所要承擔(dān)的荷載量也相當(dāng)巨大，但目前，我國(guó)對(duì)多樣化及眾多的荷載組合工況和獨(dú)立工況的構(gòu)造情況仍然沒(méi)有有效的設(shè)計(jì)方法和研究結(jié)構(gòu)。因此，本文將要對(duì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、鍋爐、研究

由于鋼結(jié)構(gòu)具有較低的工程造價(jià)、有效面積較大、自身重量輕、經(jīng)濟(jì)效益高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到世界各地。而在鋼結(jié)構(gòu)中最突出的問(wèn)題就是它的穩(wěn)定性，在各種鋼結(jié)構(gòu)中都存在這類(lèi)問(wèn)題。穩(wěn)定性是影響鋼結(jié)構(gòu)的重要因素，確保構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也是鋼結(jié)構(gòu)中非常重要的部分。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，大部分都會(huì)與其穩(wěn)定性有關(guān)，只要遵守相關(guān)的規(guī)定，就可以避免和預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的問(wèn)題。

一、鋼結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定性的內(nèi)容

1.基本概念

鋼結(jié)構(gòu)的橫截面受外界的荷載時(shí)，最大應(yīng)力就是鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這說(shuō)明穩(wěn)定性的主要問(wèn)題就是應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要是根據(jù)鍋爐構(gòu)件的屈服性與強(qiáng)度決定，其主要原因就是鋼材料變形所產(chǎn)生的問(wèn)題，這一問(wèn)題說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)的屈服性與強(qiáng)度之間具有本質(zhì)上的差別。

2.鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的原因

在鋼結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定性經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題主要有極值點(diǎn)失穩(wěn)、分支點(diǎn)失穩(wěn)、跨越式失穩(wěn)。首先，極值點(diǎn)失穩(wěn)的問(wèn)題主要是無(wú)平衡分岔的問(wèn)題。這種問(wèn)題主要是在鋼結(jié)構(gòu)受到偏心壓力時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的承受力及硬度到達(dá)承擔(dān)的極限所發(fā)生變形的問(wèn)題；其次，分支點(diǎn)失穩(wěn)的問(wèn)題主要是鋼結(jié)構(gòu)的平衡分岔的問(wèn)題。這種問(wèn)題是當(dāng)優(yōu)化平板中面與直桿軸心受到壓力時(shí)，所發(fā)生的屈曲現(xiàn)象；最后，跨越式失穩(wěn)的問(wèn)題，其與上兩個(gè)失穩(wěn)問(wèn)題存在差異，它并沒(méi)有極值點(diǎn)與平衡分岔點(diǎn)。它是在失去穩(wěn)定平衡點(diǎn)之后，會(huì)隨機(jī)的跨越到另外一種平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。

二、分析鋼結(jié)構(gòu)中的兩種屈曲

1.分析鋼結(jié)構(gòu)特征值的屈曲

其中主要是分析荷載水平的作用，讓梁中點(diǎn)和柱節(jié)點(diǎn)的垂直荷載為100KN。如在其施加的向荷載達(dá)到100KN的時(shí)候，可以獲得第一階段的模態(tài)值，當(dāng)80KN乘積后為2800KN時(shí)，就可以取得結(jié)構(gòu)屈曲的臨界荷載。而這時(shí)鋼結(jié)構(gòu)中各階段屈曲的模態(tài)就能夠突顯出結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)失穩(wěn)的問(wèn)題。

2.分析鋼結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性的屈曲狀態(tài)

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性屈曲進(jìn)行分析和研究時(shí)，可以把屈曲的荷載特征當(dāng)作是給定的荷載，把矢量的屈曲特征作為依據(jù)，在鋼結(jié)構(gòu)中施加擾動(dòng)荷載與初始缺陷，利用對(duì)弧長(zhǎng)法的臨界荷載進(jìn)行分析。而在鍋爐的正常工作中，將模態(tài)分析到鋼結(jié)構(gòu)的臨界荷載點(diǎn)之后，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性屈曲的安全性進(jìn)行計(jì)算，就會(huì)很容易的在圖形中對(duì)模態(tài)進(jìn)行分析，其中鋼結(jié)構(gòu)宏的柱是最容易出現(xiàn)失穩(wěn)屈曲的問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位置的荷載發(fā)生位移時(shí)，可以在模態(tài)分析的圖形中體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的方式就是極值點(diǎn)的失穩(wěn)。

3. 分析鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

隨著科技的快速發(fā)展，對(duì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)框架的分析方法有很多，如轉(zhuǎn)角位移法、平衡法、鋼度矩陣法都是人們常用的分析方法。而其中最普遍的狀況就是屈曲荷載的單層單跨。通常會(huì)運(yùn)用平衡法對(duì)其進(jìn)行分析和研究，同時(shí)平衡法只能適用于這類(lèi)比較普遍且簡(jiǎn)單的狀況中使用。在對(duì)其他結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，大多數(shù)會(huì)選擇運(yùn)用轉(zhuǎn)交位移法，而這種方法需要以二階的分析要求為前提，在計(jì)算的過(guò)程中，必須要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的桿件變形的程度及影響受軸力的狀況加以計(jì)算?？茖W(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)中全部的柱共同失穩(wěn)，只有這時(shí)框架的彈性就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，在計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的同時(shí)就可以得出框架彈性的穩(wěn)定性。因此，如果鋼結(jié)構(gòu)的框架接近或者是符合全部的結(jié)構(gòu)柱失穩(wěn)條件，也就能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)框架彈性穩(wěn)定性的進(jìn)行分析，把其視為結(jié)構(gòu)框架的柱長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。如果要計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性，必須把分析框架失去穩(wěn)定性的模態(tài)作為依據(jù)，與此同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)框架失穩(wěn)的模態(tài)也可以分為兩種，一是側(cè)移，二是無(wú)側(cè)移。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的框架達(dá)到一定程度時(shí)，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)中結(jié)構(gòu)的梁能夠?yàn)殇摌?gòu)的框架柱提供相應(yīng)的約束變矩，根據(jù)結(jié)構(gòu)框架柱的子線(xiàn)鋼度的比例對(duì)各框架進(jìn)行分配。由此，就必須要考慮鋼結(jié)構(gòu)框架柱和橫梁之間的約束力。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算特點(diǎn)

在鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中，主要分析其荷載和結(jié)構(gòu)變形之間所呈現(xiàn)的非線(xiàn)性關(guān)系。首先，幾何的非線(xiàn)性問(wèn)題就屬于穩(wěn)定性計(jì)算，運(yùn)用二階的分析方法。而這一方法也和普通結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算內(nèi)力的方法存在差異。在靜定的結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的計(jì)算沒(méi)有關(guān)系，而其屬于一階的分析；超靜定的結(jié)構(gòu)中，在保證其它多余力的同時(shí)，要確保結(jié)構(gòu)的變形相協(xié)調(diào)，當(dāng)結(jié)構(gòu)余力確定后，要在原鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，不需要考慮結(jié)構(gòu)變形的因素。因此，這也又回到了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算的一階分析環(huán)節(jié)。對(duì)全部的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，如剪力、拉力、彎矩、壓力，這些都是鋼結(jié)構(gòu)荷載的效應(yīng)。由于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件等其它的初始條件，如構(gòu)件中幾何的長(zhǎng)度、材料的性能、結(jié)構(gòu)的內(nèi)部體系、外荷載的作用、截面的組成等。而鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算得出的結(jié)果，不管是極限荷載，還是屈服荷載，都能夠表明，穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)構(gòu)與構(gòu)件所能夠承受的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承力。其次，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算也被廣泛使用在結(jié)構(gòu)應(yīng)力問(wèn)題的疊加原理中，但這一方法卻不適用于穩(wěn)定計(jì)算。在疊加原理中利用結(jié)構(gòu)和桿件。既不包括結(jié)構(gòu)的幾何非線(xiàn)性，同時(shí)也不包括材料非線(xiàn)性。但是結(jié)構(gòu)彈性的穩(wěn)定計(jì)算卻也沒(méi)有符合上述的第二個(gè)前提條件，而結(jié)構(gòu)的非彈性的穩(wěn)定計(jì)算卻同時(shí)不符合上述的全部前提條件。因此，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算的不能夠適用于應(yīng)力問(wèn)題中的疊加原理。

四、分析鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方法

在一般情況下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行分析，但必須要在鋼結(jié)構(gòu)的外荷載的作用下，同時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)的變形主要是對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)是失穩(wěn)發(fā)生的變形加以研究。而非線(xiàn)性是鋼結(jié)構(gòu)荷載和變形之間的關(guān)系，這表明處理鋼結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性幾何的這一問(wèn)題，需要利用穩(wěn)定計(jì)算二階的方法。當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)來(lái)確定極限荷載或是屈曲荷載。而它的方法也有很多，如靜力平衡法、能量法、動(dòng)力發(fā)等。動(dòng)力法是結(jié)構(gòu)中最普遍的方法，其最為基本的原理則是鋼結(jié)構(gòu)處在一種平衡的狀態(tài)時(shí)，一旦對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)微的干擾讓其產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的荷載作用，使鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速及變形都會(huì)受到影響。如果鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定荷載小于極限荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的加速與變形都會(huì)處在一個(gè)相反的方向。當(dāng)干擾停止時(shí)，其振動(dòng)也會(huì)停止，使鋼結(jié)構(gòu)處在一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中；如果鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定荷載大于極限荷載時(shí)，則加速與變形就會(huì)處在一個(gè)相同的方向，當(dāng)干擾被停止時(shí)，其振動(dòng)依然存在，這時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)處在一個(gè)不夠平衡的狀態(tài)中。鋼結(jié)構(gòu)中的臨界狀態(tài)荷載也相當(dāng)于是屈曲荷載，最后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幾乎為零時(shí)，問(wèn)題就可以解決了。

因此，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中鋼度的分布特點(diǎn)是影響鍋爐鋼結(jié)構(gòu)整理穩(wěn)定性特點(diǎn)的關(guān)鍵。在鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題的分析中，大部分都是在結(jié)構(gòu)的外荷載作用的情況下，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)進(jìn)行分析的，結(jié)構(gòu)的變形需要在研究鍋爐的構(gòu)件或者是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)存在變形的現(xiàn)象相互對(duì)應(yīng)。而鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在失穩(wěn)時(shí)而發(fā)生變形，很可能是被結(jié)構(gòu)構(gòu)件鏈接的約束影響，也可能是受鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)變形的影響。由此，深入的對(duì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析是尤為重要的，能夠提高鋼結(jié)構(gòu)的整體受力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳程，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究[J]，城市建設(shè)理論研究：電子版，2014（16）.

[2]劉鵬，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性研究[J]，工程技術(shù)：引文版，2016（12）：00004-00004.endprint