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        基于ANSYS軟件的火電廠主廠房結(jié)構(gòu)可靠性分析

        2023-10-13 03:40:00侍莘莘合肥熱電集團有限公司安徽合肥230031
        安徽建筑 2023年10期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)結(jié)構(gòu)模型

        侍莘莘 (合肥熱電集團有限公司,安徽 合肥 230031)

        0 引言

        土建施工技術(shù)就是對土木工程進行建造,包括各種建筑物以及設(shè)施的建造,同時也包括在整個建筑施工過程中的設(shè)計、管理、勘察等相關(guān)活動。在我國經(jīng)濟發(fā)展的過程中,土建施工是必不可少的。只有土建技術(shù)才能為各行各業(yè)的發(fā)展提供生存空間和買賣場所,促進經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展。因此,土建施工技術(shù)對我國的發(fā)展以及日常的生活來說是至關(guān)重要的,只有更好的發(fā)展土建施工技術(shù)才能對城市經(jīng)濟水平的提高以及人民生活質(zhì)量的提高帶來積極的意義。

        目前火電廠主廠房的施工量較大,所需要的技術(shù)管理人員也較多。但是受到人員知識體系不完備、專業(yè)知識水平較低、現(xiàn)場工作量較大等情況的制約,會做出不正確的判斷進而導(dǎo)致主廠房的使用周期縮短甚至引發(fā)安全問題。在火電廠主廠房的金屬結(jié)構(gòu)與預(yù)埋鐵件安裝的環(huán)節(jié)中,對工程不了解就會導(dǎo)致鋼筋的接頭位置出現(xiàn)錯誤,造成不必要的浪費;在建筑中不同位置的鋼筋、混凝土的需求量以及分布位置都存在差異,如果施工人員完全依賴圖紙進行施工,將會出現(xiàn)預(yù)埋鐵件無法進入結(jié)構(gòu)的問題;在鋼結(jié)構(gòu)搭設(shè)環(huán)節(jié)、設(shè)計環(huán)節(jié),沒有按照實際情況進行相應(yīng)的變動,就會導(dǎo)致實際安裝的位置和設(shè)計圖紙上的位置相差較大,無法進行正常施工,額外進行高空作業(yè)又加大了工程量。

        1 項目概況

        在火力發(fā)電廠內(nèi)布置主要設(shè)備和輔助設(shè)備的廠房稱為火力發(fā)電廠的主廠房[1]。本文以某火電廠為例,其中主廠房包括汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房等建筑物。按功能使用需要包括汽機房、除氧間、煤倉間三個部分。主廠房為框排架結(jié)構(gòu),其中AB軸柱跨度35m、BC跨度12m、CD 跨度16m。橫向框排架結(jié)構(gòu)有9 層3 跨,總高58m,屋架梁與柱的連接方式為栓焊混合,主梁與柱的連接方式為鉸接并且部分位置有鋼支撐。主廠房的截面如圖1 所示,部分尺寸如表1 所示。本文主廠房的鋼材采用Q235B,各構(gòu)件均在工廠里加工制作,采用鋼板組合焊接的形式形成構(gòu)件,部分鋼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        表1 主廠房部分尺寸

        圖1 主廠房的截面圖

        圖2 部分鋼結(jié)構(gòu)

        2 仿真模型的建立

        2.1 基于Revit軟件建立火電廠主體實體模型

        在火電廠主廠房項目成立之初,利用Revit 軟件對火電廠主體結(jié)構(gòu)建立三維設(shè)計模型,將主要的工作分為建筑和結(jié)構(gòu)這兩個部分??傢椖控撠?zé)人負責(zé)火電廠主廠房的整體規(guī)劃布局,協(xié)調(diào)不同部門的人員進行施工。金屬結(jié)構(gòu)與預(yù)埋鐵件的安裝過程中會出現(xiàn)工人按照既定的圖紙進行預(yù)埋鐵件錨筋加工作業(yè)卻無法將預(yù)埋鐵件安裝進結(jié)構(gòu)內(nèi)部的工程問題。在對鋼結(jié)構(gòu)支撐體系進行設(shè)計的環(huán)節(jié)沒有將實際情況考慮在內(nèi),導(dǎo)致螺栓孔安裝位置與設(shè)計的位置之間存在較大偏差,需要額外的進行高空吹割作業(yè),不僅造成工程進度受阻,同時還加大了工程的成本投入,可以在工程開展之前對鋼結(jié)構(gòu)等重要材料進行型號上的交底。可以對重要部分進行鋼結(jié)構(gòu)排布的過程模擬。最后將相關(guān)模型的相關(guān)信息和實際模型信息進行比較,這樣既可以從根本上解決鋼型號、安裝位置錯誤的問題,又可以提升預(yù)先設(shè)計水平。專業(yè)的技術(shù)人員則負責(zé)整個工程的設(shè)計方面,建立各個部分的施工模型[2]。具體的Revit模型操作流程如圖3所示。

        圖3 Revit模型操作流程

        2.2 仿真模型的建立

        本文利用Revit 軟件與ANSYS 的相關(guān)數(shù)據(jù)接口,將已經(jīng)在Revit中建立好的實體模型存成x-t 格式導(dǎo)入到ANSYS并保存為.db 文件。為縮短仿真時間,在保證三維實體模型結(jié)構(gòu)良好的效果下,對模型進行布爾運算功能。運用仿真軟件ANSYS 對主廠房結(jié)構(gòu)的影響進行仿真模擬[5-6],由于主廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,在不影響仿真結(jié)果可靠性的前提下對建模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?。其中仿真模型中混凝土設(shè)置的單元類型為Solid165,梁、柱設(shè)置的單元類型為Solid185,其余結(jié)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)置單元類型為Link180,模型共86019 個節(jié)點,65438個單元,具體模型如圖4所示。

        圖4 仿真模型

        3 火電廠結(jié)構(gòu)可靠性分析

        3.1 火電廠結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

        由圖5 所示,主廠房的第一階模態(tài)頻率為0.519Hz,表現(xiàn)為整體沿豎向平動;第二階模態(tài)頻率為1.267Hz,表現(xiàn)為下部沿豎向平動嚴重,并出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象;第三階模態(tài)頻率為1.359Hz,主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn),并出現(xiàn)橫向的平動(如圖6 所示);從第六階開始主廠房的頻率變化非常小,并且只有局部發(fā)生振動。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析并且根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點,主廠房容易發(fā)生整體的扭轉(zhuǎn)作用,這是框排架結(jié)構(gòu)橫向抗側(cè)剛度分布不均勻?qū)е碌摹S捎谠摻Y(jié)構(gòu)并沒有增加縱向抗側(cè)剛度的措施,主廠房低階陣型主要表現(xiàn)為沿著縱向振動。

        圖5 主廠房模態(tài)振動頻率

        圖6 第四階模態(tài)振動

        3.2 地震波作用下火電廠結(jié)構(gòu)的可靠性分析

        根據(jù)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范,選取三組地震波進行仿真模擬,其中包括人工設(shè)置的加速度(人工波)和實際地震波(Centro 波與Taft 波),并且采用雙激勵主方向為X 軸和Z 軸,峰值設(shè)置為1/0.85,Y方向系數(shù)設(shè)置為0.65。

        由圖7、圖8可得,當(dāng)施加雙激勵時,X 和Y 方向上的位移角變化呈現(xiàn)出不同的趨勢,并且Y 方向上的層間位移角明顯大于X 方向的數(shù)值。由X 方向的層間位移角變化曲線可以看出,施加三種地震波的變化曲線大體一致,并且Centro波的位移角變化曲線大于其他兩種,位于錯層11.6m 和柱變截面23.52m 處的兩個位置位移較大,其產(chǎn)生的原因為上下柱截面沒有對稱,從而引起剛度變化不平滑。在分別施加人工波、Centro 波與Taft 波的作用下,最大層間位移角分別是5.25×10-4、6.18×10-4和5.34×10-4。Y 方向的層間位移角變化曲線可以看出,層間位移角的最大值為30.2m,其產(chǎn)生的原因為此位置高出屋面部分進而產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)。在分別施加人工波、Centro波與Taft波地震波作用下最大位移角分別是1.25×10-3、1.49×10-3和1.2×10-3。根據(jù)抗震規(guī)范層間位移角極限值為4×10-3,X、Y 兩個方向的仿真結(jié)果都小于極限值,兩個方向有許多拐點,這說明主廠房在豎直方向受到的重力和剛度不均,將出現(xiàn)薄弱區(qū)域,特別注意錯層或者截面改變區(qū)域。

        圖7 X向地震作用下X方向?qū)娱g位移角

        圖8 Y向地震作用下Y方向?qū)娱g位移角

        3.3 提高火電廠結(jié)構(gòu)可靠性的建議

        設(shè)計人員也可以通過參考這些數(shù)據(jù)進行合理化布局,根據(jù)要求進行不斷地完善,使數(shù)據(jù)趨于精準(zhǔn),也有利于在具體的施工過程中提高精細度。關(guān)于主廠房的每項數(shù)據(jù)都在軟件當(dāng)中有所體現(xiàn),可以直接查詢整個項目的材料用量。不是依靠以往的經(jīng)驗,而是通過精確的計算得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),降低事故發(fā)生的可能性,使數(shù)據(jù)的測算更加快捷、高效,施工材料中的鋼筋、模板、混凝土等主要材料也會隨之計算出來。無論現(xiàn)場施工人員綜合素質(zhì)或者能力的高低,都會減少因用料不當(dāng)給工程所帶來的負面影響。同時,隨著建筑施工的不斷進行,實際情況會與原先的設(shè)計圖紙不相符合,BIM 技術(shù)就會根據(jù)工程的進度安排,實時形成工程材料用量表,既增加了數(shù)據(jù)的精細化,又降低了材料的消耗,較大程度上減少了工程成本。這種精細化管理提高了整個項目的工作效率,火電廠主廠房的安全方面也得到了更好的保障。

        施工質(zhì)量是整個建筑工程作業(yè)中最重要的一環(huán)節(jié),施工質(zhì)量不僅影響著火電廠主廠房最后的施工成果是否符合要求,還關(guān)系著主廠房能否發(fā)揮出應(yīng)有的社會效益。在火電廠主廠房的實際施工過程中,有很多影響施工的因素,包括施工人員對工程了解不透徹、管理人員監(jiān)察不徹底等。因為火電廠主廠房對人們的生活起到了重要的作用,所以需要采用先進的技術(shù)來提高工程質(zhì)量。利用BIM 技術(shù)可以更好的達到施工效果,在施工過程中采用立體的三維建模,無論是現(xiàn)場施工人員還是作業(yè)人員都對整個主廠房的施工有著清晰的了解,已經(jīng)較為全面的掌握了設(shè)計圖紙以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在施工的過程中也可以做到心中有數(shù),有效地提高工程質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        近年來,我國火電廠的建設(shè)日益繁榮,所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益都是不可估量的,在人們?nèi)粘I钪兴l(fā)揮的作用更是無可替代的。但同時火電廠主廠房的建設(shè)也是一個非常龐大的工程,必須提升預(yù)先設(shè)計水平、增加施工過程的精細度、提高工程質(zhì)量。通過對火電廠主廠房土建施工技術(shù)進行相關(guān)研究,火電廠主廠房對于火電廠整體運行有著至關(guān)重要的作用,直接影響著火電廠的工作效率。運用軟件對主廠房進行可靠性的仿真,討論了根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,并且根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點主廠房容易發(fā)生整體的扭轉(zhuǎn)作用,這是框排架結(jié)構(gòu)橫向抗側(cè)剛度分布不均勻的特征導(dǎo)致的。由于該結(jié)構(gòu)并沒有增加縱向抗側(cè)剛度的措施,主廠房低階陣型主要表現(xiàn)為沿著縱向振動。

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