空冷凝汽器支架典型鋼結構節點的承載力數值計算

彭偉，宋志強，連霞

（1.中國大唐集團科技工程有限公司，北京市，100097；2.北京創毅力源工程技術咨詢有限公司，北京市，100025）

0 引言

2007年底，我國火電空冷機組裝機容量約為23.59 GW，占火電總裝機容量的4.25%，到2015年，空冷火電機組裝機容量預計達100 GW，占火電總裝機容量的12%[1]。在單機容量方面，計劃于2011年建成投產的靈武發電公司二期工程2臺1 000 MW超超臨界空冷機組，是世界上首座1 000 MW超超臨界空冷機組[2]。與火電空冷機組裝機容量、工藝水平和工藝設備的高速發展相比，作為空冷設備主要支持系統的空冷支架結構設計相對滯后，國內研究者對空冷凝汽器支架結構的研究也比較少。文獻[3-4]對空冷凝汽器支架結構鋼筋混凝土管柱和鋼桁架節點的抗震性能進行了試驗研究；文獻[5-6]借助ANSYS建立了空冷凝汽器支架結構整體有限元模型，對結構的整體受力性能進行了數值研究。本文以支架結構節點為研究對象，對節點的應力、應變狀況進行非線性數值分析。

1 節點的計算模型

空冷凝汽器支架下部為鋼筋混凝土管柱，上部為縱橫交叉鋼桁架。本文取支架下弦節點為分析對象，該節點是凝汽器支架的承重節點，下部作用在鋼筋混凝土管柱上，上部分別通過高強度螺栓連接橫向桁架和縱向桁架的下弦桿及斜腹桿，由多塊鋼板和加勁肋焊接而成的強剛度節點，構造復雜。

直接采用ANSYS Preprocessor前處理器建立節點的三維實體模型，如圖1所示。實體模型中不考慮焊縫的影響，采用等強原則，將腹桿與端板直接連接，這樣可以省去分析螺栓而需要添加的接觸單元和預緊單元，提高計算效率，節點的受力狀態和實際情況相差不大。采用solid45單位對節點進行網格劃分，考慮實際的計算能力和精度要求，以及節點鋼板的最大厚度為50 mm，故控制單位尺寸為50[7]。這樣，鋼板沿厚度方向上只有1排網格，這種劃分的缺點是不能反應沿厚度方向上的抗彎性能，但對于薄壁構件，這部分彎矩很小，可以忽略不計。節點計算中采用的設計荷載取自3d3s軟件對結構整體分析的結果，如圖2、3所示。

2 節點承載力計算

4根斜腹桿與節點鉸接連接，只承受軸向力，桿件荷載以面力形式施加。水平方向4根下弦桿同時承受軸力、剪力、扭矩和彎矩，將荷載分別加載在截面nodes上比較困難，且不準確，因此引入端面剛域進行加載[8-10]，如圖4所示。即先將桿件端部的工字型截面上定義1層shell63單元面，利用這層面上的node設置主節點和從節點，使從節點的變形與主節點相同，然后在主節點上施加荷載，通過剛域將力和力矩傳到構件上。

圖1 節點的有限元模型Fig.1 Finite element model of joints

圖2 3d3s節點模型Fig.2 Joint model of 3d3s

圖3 3d3s 桿件單元Fig.3 Member element of 3d3s

圖4 斷面剛域加載方式Fig.4 Loading mode of section rigid zone

本文采用雙線性隨動強化準則來描述鋼材的應力、應變屬性，同時采用牛頓-拉普森平衡迭代克服在非線性求解過程中的荷載增量積累的誤差。為了使節點達到破壞狀態，在節點桿端施加2倍的設計荷載，定義1個荷載步，100個荷載子步，關閉自動步長調整選項，使得每一荷載子步固定為0.02倍的設計荷載值。

3 算例分析

在時間歷程后處理器中定義變量，分別儲存節點垂直腹桿、橫縱向斜腹桿、橫縱向水平腹桿以及節點域的Von Mises等效應力最大值，以時間為橫軸，繪制節點Von Mises等效應力隨時間的變化圖，如圖5所示。

圖5 斜腹桿、垂直腹桿、水平弦桿和節點域等效應力隨時間變化曲線Fig.5 Curve of equivalent stress of diagonal web member, vertical web member, horizontal chord member and joint region vs. time

由圖5可看出，縱向斜腹桿的Von Mises等效應力時間曲線斜率最大，表明其應力極隨荷載的變化最快，桿件率先出現塑性區域，屈服荷載為第53子步對應的荷載，即1.06倍的設計荷載。其次為橫向斜腹桿，在第80荷載子步進入塑性狀態。節點域的Von Mises等效應力時間曲線斜率最小，表明其應力極值變化最緩，將會在各桿件屈服后最后達到屈服。節點在84荷載子步下有限元計算出現不收斂現象，節點發生破壞，破壞荷載為設計荷載的1.68倍。節點在屈服荷載和破壞荷載作用下的節點應力應變如圖6～10所示。

圖6 屈服荷載作用下節點等效應力Fig.6 Equivalent stress distribution of joint under yielding load

圖7 屈服荷載作用下節點位移圖Fig.7 Displacement of joint under yielding load

圖8 斜腹桿連接板應力集中云圖Fig.8 Stress concentration of connecting plate of oblique web member

圖9 破壞荷載作用下節點等效應力圖Fig.9 Equivalent stress of joint under failure load

圖10 破壞荷載作用下節點位移圖Fig.410 Displacement of joint under failure load

節點在屈服狀態下的節點應力、應變云圖如圖6、7，由此可以看出，節點各桿件應力相對節點域比較大，各桿件的應力狀態與其承受的桿端內力有關。節點出現塑性的區域首先出現在斜腹桿與節點板的連接處，屬于局部應力集中（如圖8），并隨著荷載的增加，應力會重分布，塑性區域會逐漸增大。在破壞荷載作用下，節點桿件和節點域的應力都明顯增大，節點縱向桿件全截面達到屈服應力，桿件發生大變形，無法滿足正常使用要求。

4 結論

（1）由節點Von Mises等效應力時間曲線和節點在破壞荷載下的應力云圖可以看出，隨著荷載的增加，節點域的應力增加緩慢。當縱向桿件完全進入塑性狀態時，節點域的應力極值很小，只有約110 MPa，體現了“強節點、弱桿件”設計原則。

（2）節點在設計荷載作用下，即第50荷載子步時，節點域應力極值為67 MPa，桿件應力極值為212 MPa，滿足承載力要求。雖然屈服荷載只有設計荷載值的1.06倍，但是屬于局部塑性屈服，內力重分布使得破壞荷載達到設計荷載的1.68倍，從而使得結構具有足夠的安全儲備。

（3）節點在破壞荷載作用下，整個節點的變形小，節點位移較小，有限元分析中可不考慮幾何非線性。

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