风载作用下锅炉构架动力特性有限元分析

第25卷第6期Vol.25No.6工程力学2008年6月June2008ENGINEERINGMECHANICS214———————————————收稿日期：2006-11-21；修改日期：2007-06-16作者简介：*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(E-mail:[e-mail])；刘晓琴(1982―)，女，湖北人，研究生，主要从事钢结构稳定性研究(E-mail:[e-mail])；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(E-mail:[e-mail]).文章编号：1000-4750(2008)06-0214-05风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ANSYS软件对锅炉构架钢结构进行了静力计算分析；用Lanczos向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：TU328;TK223文献标识码：AFINITEELEMENTANALYSISONDYNAMICCHARACTERISTICSOFBOILERSTEELSTRUCTUREUNDERWINDLOAD*ZHOUJia-ze1,LIUXiao-qin2,GUANChang-sheng2(1.WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430074,China;2.SchoolofCivilEngineering&ArchitectureWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:Dynamiccharacteristicsofboilersteelstructureunderwindloadwerestudied.Thethreedimensionalstructuralmodelofaboilersteelstructurewassetupbyspacebeamfiniteelementmethod.Consideringwindloadeffect,thestaticanalysisofboilersteelstructurewasconductedusingANSYSsoftware.Theself-oscillationequationofthestructurewasresolvedbyLanczosvectoriteration,andtheself-oscillationcharacteristicsofboilersteelstructurewasstudied.Thedynamicresponseofthestructurewasgivenbyresponsespectrummethod.Theresultsshowedthatthestressanddeformationofthestructureweresmallunderwindload,andtheysatisfiedtherequirementofthedesigncode.Keywords:boilersteelstructure;dynamiccharacteristics;computationalmodel;finiteelement;windload钢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1.1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。1.2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)()(){}{}{}nnnLNLURF++∆=−KK(1)式中：U为广义位移；{}R为外荷载；{}F为内力。LK与NLK分别为线性与非线性刚度矩阵。可以采用Newton-Raphson法迭代求解式(1)，根据迭代后重新形成的位移修正体系的LK、NLK和{}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。1.3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。1.4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：[]{}[]{}(){}ttttttLNLMUCUU+∆+∆+++∆=KK{}{}tttRF+∆−(2)式中：{}ttU+∆和{}ttU+∆分别为tt+∆时刻的加速度和速度；{}ttR+∆为tt+∆时刻的外荷载；tLK和tNLK分别为t时刻体系的线性和非线性刚度矩阵；{}tF为内力。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Newmark-β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Newton-Raphson算法。2锅炉构架钢结构静力分析2.1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Q235钢。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，Ⅱ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。2.2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/m2。检修平台活荷载标准值4kN/m2，一般平台、楼梯活荷载标准值2kN/m2；屋面宜采用轻型结构，自重标准值宜按0.5kN/m2计算，活荷载标准值应按0.5kN/m2计算，屋面活荷载标准值宜取0.3kN/m2。雪荷载按当地气象资料采用，本文取0.8kN/m2。本构架活载取值为870t。3)风荷载。取地面10m高处，30年一遇10s平均最大风速为标准，按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：0kzszωβµµω=(3)式中：kω为风荷载标准值；zβ为高度Z处的风振216工程力学系数；sµ为风荷载体形系数；0ω为基本风压，取0.532kN/m；zµ为风压高度变化系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB5009)的规定采用；本构架风载WL(西向风荷载)：±X向取值：110t；±Y向取值：123t。2.3锅炉构架钢结构静力分析2.3.1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Q235B钢；弹性模量E=2.06×102GPa；泊松比ν=0.3；密度ρ=7.85×103kg/m3。主梁柱用Beam188单元，次梁采用Beam44单元，斜撑采用Link8单元。工况组合取1.2×恒荷载+1.4×活荷载+0.84×风荷载。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Mises屈服条件。结构节点为刚性连接，所建ANSYS分析模型如图1所示。图1锅炉结构有限元模型Fig.1Finiteelementmodeloftheboilersteelstructure2.3.2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Z-2左右两根柱，最大剪力和弯矩出现在Z-3左右两个柱，这与实际受力基本相符合，应适当放宽Z-2，Z-3两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30.5m层。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3.1有限元分析根据锅炉实际尺寸建立结构ANSYS有限元计算模型，将框架梁柱离散化为二节点线性梁单元Beam188和Beam44，斜撑离散化为单元Link8，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Mass21。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：[]{}[]{}{0}X+=MKX(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。3.2计算结果分析采用Lanczos向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YX面弯剪振动，第二阶和第三阶振型为YZ面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ω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Table1Finiteelementcomputedvaluesofself-oscillationperiodsoftheboilersteelstructure频率阶次频率值/(1/s)周期/s11.40990.70921.93980.51632.31550.432