彭 偉 曹 東

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

1 工程背景

本工程為某火力發(fā)電廠空氣冷凝器支承結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)年限50年，安全等級(jí)二級(jí)。主體結(jié)構(gòu)采用正交鋼桁架。沿橫向共有兩個(gè)機(jī)組，兩個(gè)機(jī)組之間留有1.02 m的變形縫，承重結(jié)構(gòu)也分為完全相同的兩部分，本計(jì)算書(shū)只針對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析驗(yàn)算。每個(gè)機(jī)組共分8部分，每部分沿縱向分布7個(gè)模塊，共56個(gè)模塊。每個(gè)模塊布置10片管束，管束由A字形剛架支承，A字形剛架由下部正交鋼桁架支承；每個(gè)模塊各設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)、電機(jī)、減速箱、風(fēng)筒以及護(hù)網(wǎng)，這些裝置安裝在主桁架形成的區(qū)格內(nèi)。正交桁架坐落在下部高約40 m的混凝土柱上。總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

主排氣管一端支承在地面，一端支承在主桁架上。工程所在地海拔1 557 m～1 580 m。模塊平面尺寸：11.310 m×11.730 m，混凝土柱截面采用圓環(huán)截面(D外徑×壁厚)：D4 000×450，混凝土柱頂標(biāo)高：36.950 m，柱基標(biāo)高：-4.000 m，風(fēng)機(jī)蓋板標(biāo)高：45.000 m，擋風(fēng)墻頂標(biāo)高：58.155 m，蒸汽分配管軸線標(biāo)高：56.525 m。

2 材料性質(zhì)

空冷凝汽器鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)鋼材采用Q345B和Q235B，管束采用20號(hào)鋼，混凝土柱采用C45。

3 荷載工況

ANSYS中的恒荷載、活荷載和風(fēng)荷載從3D3S軟件中直接導(dǎo)入，地震作用通過(guò)APDL命令流的方式寫入ANSYS軟件中。

3.1 永久荷載

主要包括:管束(作用于敷設(shè)在A形架上管道上)、擋風(fēng)墻面板自重、蒸汽分配管(為了考慮蒸汽分配管對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，模型中將其作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件建入，取最小規(guī)格的截面，其他規(guī)格的重量按荷載輸入)、風(fēng)機(jī)、減速箱、電機(jī)、凝結(jié)水收集聯(lián)箱、風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)護(hù)網(wǎng)、蒸汽隔離閥、鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)、風(fēng)機(jī)蓋板、移動(dòng)沖洗裝置、電動(dòng)葫蘆與環(huán)鏈?zhǔn)掷J、雜項(xiàng)設(shè)備。

3.2 可變荷載

主要包括:風(fēng)機(jī)軸向推力、設(shè)備維護(hù)平臺(tái)、設(shè)備就地檢修平臺(tái)、分配聯(lián)箱的上部平臺(tái)、風(fēng)機(jī)蓋板上的灰塵等、結(jié)水管道和抽真空管道各支點(diǎn)荷載、吊架。

3.3 風(fēng)荷載

工程所在地50年一遇，10 m高10 min平均最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為27.7 m/s，相應(yīng)風(fēng)壓為0.48 kN/m2。地面粗糙度A類，風(fēng)荷載隨高度、陣風(fēng)等因素所產(chǎn)生的變化以及擋風(fēng)墻和混凝土柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定來(lái)考慮。

3.4 雪荷載

50年一遇最大積雪深度11 cm，相應(yīng)基本雪壓0.20 kN/m2，屋面積雪分布系數(shù)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定考慮。

3.5 溫度作用

溫度作用考慮±33 ℃的溫差。

3.6 地震作用

抗震設(shè)防類別：乙類，地震作用不提高，抗震措施提高1度?？拐鹪O(shè)防烈度8度，50年超越概率10%的地面地震動(dòng)峰值加速度為0.208g，建筑場(chǎng)地類別Ⅰ類,設(shè)計(jì)特征周期0.35 s。

3.7 支座差異沉降作用

設(shè)計(jì)中考慮兩個(gè)支座沉降工況，沉降量假定為10 mm。如果實(shí)際沉降超過(guò)10 mm，將考慮利用其他方式消除過(guò)大的沉降差，從而避免產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力。

4 平臺(tái)的整體穩(wěn)定分析

4.1 計(jì)算分析模型

在靜力工況分析的基礎(chǔ)上對(duì)火力發(fā)電廠空氣冷凝器支承平臺(tái)進(jìn)行了整體模型的穩(wěn)定分析。靜力分析時(shí)，采用的工況組合為恒載、活載和風(fēng)載，組合系數(shù)均為1.0，考慮了結(jié)構(gòu)體系的幾何和材料兩種非線性屬性(見(jiàn)圖1)。

4.2 穩(wěn)定分析方法

4.2.1特征值穩(wěn)定分析

特征值穩(wěn)定分析為用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，即彈性屈曲分析方法。此種方法方便快捷，可以給出理想結(jié)構(gòu)的彈性臨界荷載值。但是由于其忽略了初始缺陷和非線性特性，使得特征值穩(wěn)定分析經(jīng)常得出非保守結(jié)果，通常僅為實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析提供參考，具體結(jié)果如表1所示。

表1 特征值分析穩(wěn)定系數(shù)

4.2.2非線性穩(wěn)定分析

在對(duì)支承平臺(tái)進(jìn)行整體模型的特征值及N-R法穩(wěn)定分析結(jié)果的基礎(chǔ)上采用弧長(zhǎng)法進(jìn)行了整體模型的非線性穩(wěn)定分析，比較了兩種不同組合工況下的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限承載力，并由此得到了兩種組合工況下的荷載—位移曲線。

取柱頭最大位移節(jié)點(diǎn)206和正交桁架的最大位移節(jié)點(diǎn)319進(jìn)行非線性穩(wěn)定的全過(guò)程分析，得到其荷載—位移曲線見(jiàn)圖2和圖3。

從圖2和圖3中可以看出考慮幾何和材料非線性特性時(shí)，結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定承載力較特征值穩(wěn)定承載力有較大的降低，其荷載倍數(shù)約是設(shè)計(jì)荷載的4.8倍，滿足規(guī)范要求。當(dāng)荷載約為4倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剛度退化。在這之前，結(jié)構(gòu)整體剛度良好，位移響應(yīng)基本表現(xiàn)為線性行為。

5 結(jié)語(yǔ)

使用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)空氣冷凝器支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元模型建模，進(jìn)行了恒、活、風(fēng)等荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力分析，并按照中國(guó)規(guī)范對(duì)整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況進(jìn)行了反應(yīng)譜分析。并采用特征值穩(wěn)定方法和非線性穩(wěn)定分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。對(duì)于風(fēng)機(jī)的振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)的影響通過(guò)進(jìn)行整體諧響應(yīng)分析來(lái)考察。有限元分析結(jié)果表明：

1)對(duì)比結(jié)構(gòu)表明ANSYS和3D3S的分析結(jié)果是吻合的，可信的；

2)穩(wěn)定分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很好，二階效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定承載能力；

3)整體結(jié)構(gòu)的諧分析結(jié)果表明由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)很小，位移響應(yīng)衰減很快。分析結(jié)果還表明風(fēng)機(jī)部分運(yùn)轉(zhuǎn)和全部運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響差別很小。