风载作用下锅炉构架动力特性有限元分析

第 25 卷第 6 期 程 力 学 2008 年 6 月 2008 14 收稿日期： 2006改日期： 2007者简介： *周家泽 (1960 )，女，武汉人，副教授，学士，主要从事结构力学理论及应用研究 ( 刘晓琴 (1982 )，女，湖北人，研究生，主要从事钢结构稳定性研究 ( 管昌生 (1957 )，男，武汉人，教授，博士，博导，主要从事结构工程动力分析及应用 ( 文章编号： 1000008)06载作用下锅炉构架动力特性有限元分析 *周家泽1，刘晓琴2，管昌生2 (1. 武汉职业技术学院，武汉 430074； 2. 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070) 摘 要： 对风载作用下电站锅炉构架钢结构的动力特性进行了研究。针对工程实例，运用空间梁单元有限元方法建立了锅炉构架的三维结构模型；考虑风荷载作用，应用 件对锅炉构架钢结构进行了静力计算分析；用 量迭代法求解自振方程，研究了电站锅炉构架钢结构的自振特性；用反应谱法进行动力响应分析，计算结果表明，风载作用下结构的内力和变形较小，且满足设计规范要求。 关键词： 锅炉钢构架；动力特性；计算模型；有限元；风荷载 中图分类号： 文献标识码： A N . 30074, 2. 30070, of of a up by of of of of by of of 结构框架因其自重轻、有效面积大、施工速度快和投资效益高等综合优势，在国内外应用十分广泛。结构动力分析是钢结构框架稳定性设计的重要环节。近年来由于钢结构趋于轻薄化，因此对钢框架动力性能的研究具有重要意义。电站锅炉构架是锅炉的支护体系，若构架失稳将产生严重后果。由于锅炉钢构架布置形式多样，荷载条件错综复杂，使得结构动力分析和稳定设计极其繁杂。国内考虑锅炉钢构架风载动力影响的研究较少，与之相关的研究主要在试验及风载组合方面。在锅炉构架设计中，锅炉构架荷载及荷载效应组合是结构设计的重要依据1 2；悬吊锅炉及其主厂房风载参数应通过实验方法获得3；电站锅炉水平烟道局部振动也是影响结构动力特性的重要因素4；锅炉及钢结构烟囱力学特性在设计中也要引起重视5；钢结构计算模式及框架结构抗震动力稳定性研究可完善结构优化设计与安全评价6 8；抗风结构随机时变动力可靠度为结构可靠度分析提供了有效方法9；结构试验及非线性研究对高层钢结构动力特性分析具有重要作用10 11。 而较多的是对地震作用的动 工 程 力 学 215 力响应研究。本文应用有限元与反应谱理论，研究了某电站锅炉钢构架在风载作用下的结构静力问题和动力特性，并与现有的设计方法进行了比较 分析。 1 空间梁单元有限元方法 空间梁单元 本文采用空间有限元模型，所用单元主要是空间梁单元。空间梁单元允许有轴向拉压变形、轴向扭转和具有剪切作用的弯曲变形。当用户在数据输入中加以某些限制时，空间梁单元可以变成工程结构中常见的桁架、刚架以及交叉梁单元。 静力平衡问题的解法 将杆的单元切线刚度由各自对应的定位向量进行组合拼装，即可生成结构的总体刚度，则增量形式的整体静力平衡方程可写为： () ( 1) ()()+= (1) 式中： U 为广义位移； R 为外荷载； F 为内力。别为线性与非线性刚度矩阵。 可以采用 迭代求解式 (1)，根据迭代后重新形成的位移修正体系的F 等项，循环计算直至解收敛。 结构静力分析结束后可以获得结构体系的静力平衡位置以及初始内力。动力分析时，取体系静力终态时的内力和几何坐标作为动力初态，取平衡位置的切线刚度矩阵为初始动力刚度矩阵。 特征值问题的解法 结构动力分析包括体系的模态分析和体系时程分析。模态分析是为了获得结构的频率振型，从总体上把握结构的动力特性。其次，动力分析中需要确定体系的阻尼矩阵，阻尼大小不仅与使用的材料、 连接方式和施工过程有关， 而且还与振动频率、外激励频率、振幅成复杂的非线性关系，结构的诸多非线性因素决定了阻尼的非线性。本文通过求解自由振动方程进行模态分析，采用结构的两组低频来确定阻尼系数与结构阻尼。 动力平衡问题的解法 考虑结构的几何非线性，结构增量形式的非线性有限元动力平衡方程为： ( ) tt tt t + += tt + (2) 式中： 和 分别为 时刻的加速度和速度； 为 时刻的外荷载；别为 t 时刻体系的线性和非线性刚度矩阵；内力。 对于运动方程的求解采用增量结合平衡迭代方法，本文中采用 算法直接求解结构的动力响应，非线性有限元方程的平衡迭代采用法。 2 锅炉构架钢结构静力分析 工程概况 某电厂锅炉钢构架， 其钢结构长 32m、 宽 29m、高 50m。柱、梁均采用 。柱与梁采用箱形截面，斜撑采用箱形截面或双拼槽钢，该结构为焊接结构，钢柱与柱底板、刚性层主钢梁与钢柱之间为刚接，其它连接为铰接。工程场地抗震设防烈度为 7 度，类场地。本锅炉钢架从炉前至炉后共分四个立面；从炉右至炉左共分五个立面。除柱间布置有锅炉设备，每个立面均设有连续支撑体系，整体结构从下至上设有多层刚性平面层，以保证立面各柱段稳定性。 荷载种类及取值 锅炉构架承受荷载包括 3 大类：恒荷载；活荷载；风荷载。 1) 恒荷载。现代锅炉一般都是悬吊式锅炉，锅炉主要部件通过锅炉吊杆吊于构架顶板上。锅炉恒载主要包括：设备重量，水重量，炉墙重量，积灰结渣重量， 烟风道， 辅机设备作用在钢架上的重量。本构架恒载取值为 3000t。 2) 活荷载。凡是作用在运转层平台、锅炉平台及炉顶上、检修时站人设备等，雪荷载等；平台活荷载标准值 8kN/修平台活荷载标准值4kN/般平台、楼梯活荷载标准值 2kN/面宜采用轻型结构，自重标准值宜按 荷载标准值应按 面活荷载标准值宜取 荷载按当地气象资料采用，本文取 构架活载取值为 870t。 3) 风荷载。取地面 10m 高处， 30 年一遇 10钢结构规范中风压计算公式0W =0V /1600 计算基本风压值，再计算风载标准值。计算受风面积按以节点为中心邻近平均面积。 当计算主要承重结构时可取： 0= (3) 式中：风荷载标准值；高度 Z 处的风振216 工 程 力 学 系数；风荷载体形系数；0 为基本风压，m ；风压高度变化系数，应按现行国家标准 建筑结构荷载规范 (规定采用；本构架风载 向风荷载 )： X 向取值： 110 t； Y 向取值： 123t。 锅炉构架钢结构静力分析 结构有限元模型 本文锅炉支架为典型的刚接框架结构，顶层的悬挂设备重量按集中力等效作用于悬挂点上。该锅炉钢架材料特性如下：钢材选用 ；弹性模量 E=02松比 =度 =103kg/梁柱用 元，次梁采用元，斜撑采用 元。荷载 +荷载 +荷载。在模型计算分析中，采用的结构材料的本构关系为广义胡克定律，而破坏准则采用 服条件。结构节点为刚性连接，所建 析模型如图 1 所示。 图 1 锅炉结构有限元模型 of 静力结果分析 计算结果表明，所有柱脚没有出现上拔力，最大轴力出现在 右两根柱，最大剪力和弯矩出现在 右两个柱，这与实际受力基本相符合，应适当放宽 侧柱的截面取值范围，满足规范中强柱弱梁的规定。在组合工况作用下，结构整体位移都很小，最大位移层发生在 。立柱的最大位移发生在 X 向。顶板层刚度也足够大，整个结构设计趋于保守。 3 锅炉钢结构动力特性分析 有限元分析 根据锅炉实际尺寸建立结构 限元计算模型，将框架梁柱离散化为二节点线性梁单元88 和 4，斜撑离散化为单元 ，进行模态分析。为使结构模型接近实际工程，本文在进行模态分析之前将主钢架的恒重转化为等效质量单元 采用有限元方法进行结构振动分析，当不考虑外部荷载及阻尼作用时，斜撑框架结构的振动平衡微分方程为： 0X +=(4) 式中： M 为结构总质量矩阵； K 为结构总刚度矩阵； X 为节点位移列阵。 结构的自振特性的研究，从数值分析的角度归结为求解式 (4)的广义特征值问题。 计算结果分析 采用 量迭代法求解自振方程，限于篇幅本文只给出前 10 阶的固有频率值，见表 1。从计算中可看出：第一阶振型为明显 弯剪振动，第二阶和第三阶振型为 弯剪扭转耦合型的反对称振动。其余几阶的参与比率都较小，因此 可以忽略。取第一振型特征周期与文献比较，发现设计文献经验公式的计算值都大于模态分析值，这可能是钢架附加设备增加了结构的刚度。 表 1 锅炉钢结构自振周期有限元计算值 of of 率阶次 频率值 /(1/s) 周期 /s 1 0 锅炉钢结构风振响应分析 振型与特征值问题 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是广义特征值问题： 2 ii X (5) 式中： K 为刚度矩阵； 第 i 阶模态的振型向量 (特征向量 )；第 i 阶模态的固有频率 (2特征值 )； M 为质量矩阵。 由式 (5)可求出特征值，分别为 ,1, ，它们即为 n 个自由度的 n 个自振频率。将解的频率逐一代回到式 (4)中，可得对应于每一频率的体系各质点相对振幅值 振型向量。 工 程 力 学 217 脉动风压的功率谱函数 本文采用式 (6)所示的 动风速功率谱密度函数进行分析： 22 24/310() 4 (1 ) x=+ (6) 式中： K 为反映地面粗糙度的系数； (1200 ) /x n= 10V ； /(2)；10V 为离地 10m 高度处的平均风速。根据场地情况，本文地面粗糙度的系数 K= 10m 处的基本风速10V =29m/s。 虽然荷载规范有关脉动风的规定比较详细，但是一般情况下，当锅炉钢结构高度 100m 或高宽比H/B5 时，才考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响；所以在锅炉钢结构的实际设计中往往忽略掉了。结构的风速功率谱振动分析，能够有效反映结构的基本动力特性，对高层建筑的风振控制有一定的应用价值。由于谱分析的结果由结构模态分析阶数和各个振型的参与比率决定，根据每阶模态的振型贡献率，限于篇幅本文取了前三阶振型图分析，从图形可以看出，风荷载的周期越接近结构的自振周期时，就越容易发生共振现象。风振响应计算结果如图 2 所示。 (a) 一阶振型 (b) 二阶振型 (c) 三阶振型 图 2 锅炉钢结构风振动力响应振型图 of 结论 锅炉钢结构在实际工程中的应用越来越广泛。这种结构体系在风载作用下的反应也较复杂。本文对这种结构的基本力学性能及风振性能做了初步探讨，按结构实际情况建立了三维有限元模型，分别对结构进行了静力计算、模态与谱响应分析。对各种计算结果进行了分析。在静力分析中，根据规范考虑了各种不同的荷载组合，并对最不利的荷载工况进行了静力计算，得到的结构内力及变形较小，其结果满足要求。利用 力分析中的模态分析功能，采用 量迭代法计算出钢架的自振周期及相应振型，从而对锅炉钢结构进行自振特性分析。动力响应分析时，当周期接近结构的自振周期时， 共振容易发生， 这时结构振动最大，工程中应该严格避免。 参考文献： 1 董玉民 , 陈加功 , 解辉 . 锅炉构架静力计算的概念与荷载 (作用 )效应 J. 锅炉技术 , 2002, 33(8): 14 22. of J. 2002, 33(8): 14 22. (2 孟宪国 , 任振业 , 李大生 . 电站锅炉构架设计中的荷载及其效应组合 J. 电站系统工程 , 1996, 12(6): 30 34. of in J. 1996, 12(6): 30 34. (3 魏中磊 , 韩文芝 , 李碧珠 . 悬吊锅炉及其主厂房的风载实验研究 J. 力学与实践 , 1980, 2(2): 55 58. on J. 1980, 2(2): 55 58. (4 周曙光 . 某电站锅炉水平烟道局部振动原因分析与对策 J. 锅炉技术 , 2004, 35(6): 59 61. 218 工 程 力 学 of in of J. 2004, 35(6): 59 61. (5 孙柏涛 . 大亚湾核电站调试锅炉及钢结构烟囱力学特性分析 J. 热能动力工程 , 1992, 7(2): 37 43. of J. 1992, 7(2): 37 43. (6 E, F. J. 1996, 122(11): 1266 1274. 7 of C/ of 1998: 287 292. 8 管昌生 . 抗风结构随机时变动力可靠度分析 J. 工程力学 , 2000(增刊 ): 131 134. of J. 2000 (): 131 134. ( 9 童根树 , 施祖元 . 非完全支撑框架的稳定性 J. 土木工程学报 , 1998, 31(4): 31 37. of J. 1998, 31(4): 31 37. (10 黄恩才 , 王承春 . 高层钢结构建筑振动性能的试验分析 J. 天津城市建设学院学报 , 2003, 9(3): 191 195. of of J. 2003, 9(3): 191 195. (11 刘小强 , 吴慧弼 . 高层钢框架的非线性响应分析 J. 重庆建筑工程学院学报 , 1992, 14(2): 10 22. of J. 1992, 14(2): 10 22. (上接第 198 页 ) 参考文献： 1 陈建峰 . 超重力技术及应用 M. 北京 : 化工工业出版社 , 2003. M. 2003. (2 吕和祥 , 邱琨玉 , 陈建峰 . 对流扩散化学反应动力学方程的