低溫冷卻器鋼支架設(shè)計(jì)及承載性能分析

劉巍

摘要：根據(jù)華能金陵電廠除塵設(shè)備本體及剛性鋼支架的受力特點(diǎn)，利用Staad Pro建立有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屈曲分析和非線性分析。計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力、穩(wěn)定應(yīng)力比以及結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和特征值屈曲荷載，給出有缺陷結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線及極限承載力。結(jié)果表明：利用Staad Pro軟件能夠快速地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，比較準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)真實(shí)受力性能，表明剛性鋼支架是一種可靠、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)承載體系；在工期較短時(shí)應(yīng)用廣泛。

Abstract： According to the mechanical characteristics of the dust removal equipment and the rigid steel support， the finite element model was built by Staad Pro to do static analysis， structural design， buckling analysis and nonlinear analysis of the structure. The deformation， internal force， stable stress ratio of the structure， and the buckling mode and eigenvalue buckling load of the structure were calculated， and the load-displacement curve and ultimate bearing capacity of the defective structure was given. The results show that Staad Pro software can realize quick design and analysis of steel structure， so that we can accurately grasp the real mechanical properties of the structure， indicating that the rigid steel frame is a stable and reliable structure bearing system. It is widely used in projects with short construction time.

關(guān)鍵詞：低溫冷卻器；剛性鋼支架；Staad Pro；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；極限承載力

Key words： cryogenic coolers；rigid steel frame；Staad Pro；structural design；ultimate bearing capacity

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）28-0134-03

0 引言

本文工程為華能金陵電廠2×1030MW機(jī)組WGGH配套改造工程，WGGH設(shè)備分為煙氣冷卻器和再加熱器兩部分。在我國(guó)火力發(fā)電工程中，煙氣反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)常用支撐體系主要有3種：混凝土框架結(jié)構(gòu)、剛性鋼支架結(jié)構(gòu)、柔性鋼支架結(jié)構(gòu)[1]。其中，柔性鋼支架結(jié)構(gòu)由支撐和鋼柱構(gòu)成，無(wú)梁連接，整體性較差，不宜適用于較大荷載支撐體系；框架混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土梁、柱構(gòu)成，混凝土樓板設(shè)置較少，故該結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度小，混凝土梁常作為壓彎構(gòu)件，且施工養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差；剛性鋼支架結(jié)構(gòu)是由鋼梁、鋼柱、交叉撐或人字撐組成的剛性結(jié)構(gòu)體系，側(cè)向剛性大，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，安裝方便，耗鋼量少，適用于各種高度的支架，是目前最常用的結(jié)構(gòu)體系[2]。

本文通過(guò)實(shí)際工程案例對(duì)剛性鋼支架利用Staad Pro有限元軟件進(jìn)行靜力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屈曲分析和非線性分析，在為計(jì)算類似結(jié)構(gòu)的剛性鋼支架提供參考。

1 工程概況

本工程本體為WGGH冷卻器鋼支架，原有鋼支架為除塵器進(jìn)口煙道支架，現(xiàn)將該段煙道拆除并改造為冷卻器支撐鋼架。改造后的冷卻器支架采用剛性鋼支架支撐體系，除塵器柱腳位置設(shè)置為鉸接柱腳，布置如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)介

Staad Pro建立計(jì)算模型如圖2所示，支架剛性層分為2層，層高分別為7.700m和17.520m，鋼梁與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)、支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)均采用鉸接節(jié)點(diǎn)計(jì)算，鋼柱柱腳與混凝土基礎(chǔ)鉸接連接，平面支撐及豎向斜撐采用桁架單元，剛性層中鋼格柵與鋼梁點(diǎn)焊搭接，對(duì)整體結(jié)構(gòu)不提供側(cè)向剛度，在計(jì)算模型中，其荷載包含在柱頂豎向恒荷載中。本工程中，優(yōu)先采用交叉支撐，并可按拉桿設(shè)計(jì)，較為經(jīng)濟(jì)[2]。

鋼柱、鋼梁采用Q345B鋼，平面支撐、豎向斜撐及節(jié)點(diǎn)板材質(zhì)為Q235B。鋼柱截面為H550×450×16×18，梁截面主要采用H型鋼窄翼緣截面，斜撐采用圓管及H型鋼截面支撐。梁、支撐材料及截面如表1。

2.2 荷載分布情況

鋼支架承受的荷載可分為恒荷載、活荷載、水平風(fēng)荷載和地震荷載四部分，恒荷載主要為煙氣冷卻器設(shè)備和連接煙道的重力荷載，由搭設(shè)在鋼架上的荷載點(diǎn)傳遞至鋼梁。水平荷載分為風(fēng)荷載和地震荷載，鋼支架結(jié)構(gòu)體系延性好，剛性層所受水平荷載可通過(guò)平面支撐傳遞至梁柱節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)豎向斜撐轉(zhuǎn)化為鉸接柱腳拉壓力和柱腳與混凝土基礎(chǔ)頂面處的水平反力。

垂直荷載中恒載和活載可直接按柱頂處的節(jié)點(diǎn)荷載輸入，溫度膨脹和收縮引起的摩擦力遠(yuǎn)小于外力荷載，建模時(shí)可不考慮；由于水平荷載引起的反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)傾覆荷載影響相對(duì)較小，計(jì)算時(shí)可以忽略；水平荷載主要是由除塵器設(shè)備引起的風(fēng)荷載和地震作用組成，風(fēng)荷載根據(jù)荷載規(guī)范計(jì)算[3]。

地震作用通過(guò)地震反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度0.10g，地面粗糙度B類，結(jié)構(gòu)阻尼比根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》[4]（GB 50011-2001）8.2.2條：鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比，對(duì)不超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.035，對(duì)超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.02；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05）取值0.035，場(chǎng)地特征周期0.35s。地震影響系數(shù)曲線見(jiàn)圖3。

3 靜力分析

靜力分析主要分析結(jié)構(gòu)在荷載組合作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、位移和穩(wěn)定性。鋼支撐體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)力遠(yuǎn)大于強(qiáng)度應(yīng)力，故主要驗(yàn)算支撐、鋼梁及鋼柱的穩(wěn)定性驗(yàn)算，各構(gòu)件驗(yàn)算情況見(jiàn)表2。

模型計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)X向最大位移為35.63mm，結(jié)構(gòu)Y向最大位移為26.59mm。鋼支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力以軸力為主，結(jié)構(gòu)的最大強(qiáng)度應(yīng)力為250MPa，結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)立柱主要由穩(wěn)定控制，立柱的穩(wěn)定應(yīng)力比強(qiáng)度應(yīng)力更大，斜撐為軸向受力構(gòu)件，同樣考慮穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算，梁、柱、支撐構(gòu)件均為長(zhǎng)細(xì)比控制，設(shè)計(jì)滿足要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 非線性分析

非線性分析能夠更加真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)在荷載作用下的響應(yīng)情況，其核心思想是將荷載分解為一系列的若干增量荷載，依此對(duì)結(jié)構(gòu)施加增量荷載。針對(duì)每個(gè)增量荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度矩陣，依此累計(jì)，反應(yīng)結(jié)構(gòu)在加載全過(guò)程的非線性變化情況，可以得到結(jié)構(gòu)極限承載值[5]。

理論模型中，影響結(jié)構(gòu)承載力的因素非常多，有結(jié)構(gòu)幾何布置、殘余應(yīng)力、材料缺陷等。本工程中，僅使用構(gòu)件初始彎曲模擬缺陷影響（1/500）。缺陷形狀為屈曲分析的一階失穩(wěn)模態(tài)。極限承載力與設(shè)計(jì)荷載之比，即為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。1/500缺陷非線性屈曲分析的荷載-Y向位移曲線如圖4所示。

圖4中可以得出：結(jié)構(gòu)極限承載力的荷載系數(shù)為拐點(diǎn)處結(jié)構(gòu)極限承載力的荷載系數(shù)為4.4，結(jié)構(gòu)的Y向最大位移為30mm，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在1/500缺陷下結(jié)構(gòu)的極限承載力與設(shè)計(jì)荷載之比為4.4，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠。

5 結(jié)論

鋼支架支撐結(jié)構(gòu)體系是一種快速安裝制造、承載力較大，抗震性能好的結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)，鋼材表面除銹、防腐技術(shù)的提升，使得鋼支架支撐結(jié)構(gòu)體系廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，能夠滿足工程項(xiàng)目安全性、合理性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

類似于剛性鋼支架以構(gòu)件為主的結(jié)構(gòu)，不能僅進(jìn)行靜力分析，還必須結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的構(gòu)件穩(wěn)定、長(zhǎng)細(xì)比、位移撓度等滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還要通過(guò)屈曲分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。由于臨界荷載系數(shù)一般取1.3～1.6，為安全考慮，建議臨界荷載系數(shù)要大于2。該類型結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滿足工期及結(jié)構(gòu)承載力等方面要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴毅強(qiáng).脫硫除塵島鋼支架結(jié)構(gòu)形式分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2012， 27（12）：45-49.

[2]李寶熺.除塵設(shè)備剛性鋼支架設(shè)計(jì)及承載性能分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2013，7：013.

[3]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]戴海金.電除塵器鋼支架設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2008，31（2）： 48-49.