大型火电厂锅炉钢结构静力及稳定性分析

摘要

本文运用有限元分析方法和大型商业软件ANSYS对某大型发电厂锅炉支架钢结构进行了空间整体静力分析、大板梁静力分析、梁柱连接分析以及结构整体稳定分析研究。 在结构整体静力分析方面，根据结构的实际布置和构件尺寸建立三维模型，在考虑恒荷载、活荷载、风荷载等不同荷载组合的工况下，分析了结构的整体受力性能，为工程实际提供参考。 锅炉钢结构大板梁是电厂钢结构中的主要受力构件，承担所有吊起锅炉的竖向荷载。在大板梁静力分析及梁柱连接分析方面，选用接触单元和目标单元模拟大板梁和柱的接触关系，弹簧单元模拟柱的抗侧移刚度，采用状态非线性分析方法分析了板梁的静力性能和梁柱连接的受力特点。大板梁支座一般采用圆弧形支座的形式，大板梁与支座连接的有限元模拟一般采用完全铰接或者完全滑动的形式，而这两种模拟结果都不太精确，前者会在支座处产生较大的应力集中，后者使得跨中挠度过大。本文采用的分析方法更精确模拟梁柱连接节点，得到更合理的结果。 对于锅炉钢结构的整体稳定性能，目前还没有足够有效的设计与分析方法，设计锅炉钢结构框架时，一般不考虑框架本身的整体稳定性，而是用计算柱子的稳定性来代替。考虑框架整体稳定性时，必须考虑二阶效应即几何非线性的影响。因此本文引入几何刚度矩阵和大位移刚度矩阵，充分考虑结构几何非线性和大变形影响，通过ANSYS软件中的两种屈曲分析方法对钢架整体稳定性进行分析，模拟出结构荷载－位移曲线，从而计算出结构的屈曲荷载。所用的两种屈曲分析方法分别为： ① 线弹性稳定分析：分别以无竖向支撑和有竖向支撑的框架为计算对象，采用ANSYS特征值屈曲计算方法，得出结构的前四阶特征值屈曲模态和特征值系数。分析表明带有竖向支撑的结构失稳形式由有侧移失稳变成了无侧移失稳，特征值屈曲系数也有一定程度的提高。 ② 非线性稳定分析：分别以一阶特征值屈曲模态、假想水平荷载初始构形和风荷载作用侧移为初始缺陷进行了几何非线性和双重非线性迭代计算。模拟出结构荷载－位移曲线，计算出结构的屈曲荷载。对各种初始缺陷下的极限承载力进行了对比，定性的说明了初始缺陷对结构失稳形式以及极限承载力的影响。 通过以上分析，本文对锅炉钢结构这种支撑－框架结构的受力性能有了较全面的了解，并分析了多种初始缺陷存在下钢架结构的整体稳定性，打破了利用结构一阶屈曲模态作为非线性稳定分析初始缺陷的常规方法。分别用假想水平荷载和风荷载作用下侧移作为结构的初始缺陷进行整体稳定分析，得出相应的稳定系数，并与屈曲模态初始缺陷稳定进行了对比，希望能为工程设计实践提供参考。