鍋爐鋼結構的整體穩定性研究

徐德龍

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 150036）

摘要：鍋爐的鋼結構布局有著不同的變化形式，它的荷載條件非常復雜，在部分大型鍋爐中，其鋼結構不僅復雜，且內部結構也非常復雜，桿件數量非常多，如600MW鍋爐的結構中，內部的桿件有千根之多。而鍋爐的鋼結構所要承擔的荷載量也相當巨大，但目前，我國對多樣化及眾多的荷載組合工況和獨立工況的構造情況仍然沒有有效的設計方法和研究結構。因此，本文將要對鍋爐鋼結構整體的穩定性進行分析和研究。

關鍵詞：鋼結構、穩定性、鍋爐、研究

由于鋼結構具有較低的工程造價、有效面積較大、自身重量輕、經濟效益高、施工速度快等優點，被廣泛的應用到世界各地。而在鋼結構中最突出的問題就是它的穩定性，在各種鋼結構中都存在這類問題。穩定性是影響鋼結構的重要因素，確保構件與結構的穩定性，也是鋼結構中非常重要的部分。在進行鋼結構的設計中，大部分都會與其穩定性有關，只要遵守相關的規定，就可以避免和預防鋼結構失去穩定性的問題。

一、鋼結構中穩定性的內容

1.基本概念

鋼結構的橫截面受外界的荷載時，最大應力就是鋼結構的穩定性，這說明穩定性的主要問題就是應力。鋼結構的強度主要是根據鍋爐構件的屈服性與強度決定，其主要原因就是鋼材料變形所產生的問題，這一問題說明鋼結構的屈服性與強度之間具有本質上的差別。

2.鋼結構失去穩定性的原因

在鋼結構中，穩定性經常出現的問題主要有極值點失穩、分支點失穩、跨越式失穩。首先，極值點失穩的問題主要是無平衡分岔的問題。這種問題主要是在鋼結構受到偏心壓力時，鋼結構的承受力及硬度到達承擔的極限所發生變形的問題；其次，分支點失穩的問題主要是鋼結構的平衡分岔的問題。這種問題是當優化平板中面與直桿軸心受到壓力時，所發生的屈曲現象；最后，跨越式失穩的問題，其與上兩個失穩問題存在差異，它并沒有極值點與平衡分岔點。它是在失去穩定平衡點之后，會隨機的跨越到另外一種平衡穩定的狀態。

二、分析鋼結構中的兩種屈曲

1.分析鋼結構特征值的屈曲

其中主要是分析荷載水平的作用，讓梁中點和柱節點的垂直荷載為100KN。如在其施加的向荷載達到100KN的時候，可以獲得第一階段的模態值，當80KN乘積后為2800KN時，就可以取得結構屈曲的臨界荷載。而這時鋼結構中各階段屈曲的模態就能夠突顯出結構的對稱失穩的問題。

2.分析鋼結構非線性的屈曲狀態

在對鋼結構的非線性屈曲進行分析和研究時，可以把屈曲的荷載特征當作是給定的荷載，把矢量的屈曲特征作為依據，在鋼結構中施加擾動荷載與初始缺陷，利用對弧長法的臨界荷載進行分析。而在鍋爐的正常工作中，將模態分析到鋼結構的臨界荷載點之后，對鋼結構非線性屈曲的安全性進行計算，就會很容易的在圖形中對模態進行分析，其中鋼結構宏的柱是最容易出現失穩屈曲的問題。在鋼結構頂點位置的荷載發生位移時，可以在模態分析的圖形中體現出鋼結構失去穩定性的方式就是極值點的失穩。

3. 分析鋼結構的動力響應

隨著科技的快速發展，對鍋爐鋼結構框架的分析方法有很多，如轉角位移法、平衡法、鋼度矩陣法都是人們常用的分析方法。而其中最普遍的狀況就是屈曲荷載的單層單跨。通常會運用平衡法對其進行分析和研究，同時平衡法只能適用于這類比較普遍且簡單的狀況中使用。在對其他結構狀態進行分析時，大多數會選擇運用轉交位移法，而這種方法需要以二階的分析要求為前提，在計算的過程中，必須要根據鋼結構的桿件變形的程度及影響受軸力的狀況加以計算。科學合理的鋼結構框架設計，將結構中全部的柱共同失穩，只有這時框架的彈性就會相對穩定，在計算框架結構的同時就可以得出框架彈性的穩定性。因此，如果鋼結構的框架接近或者是符合全部的結構柱失穩條件，也就能夠對鋼結構框架彈性穩定性的進行分析，把其視為結構框架的柱長度來進行計算。如果要計算鋼結構框架的穩定性，必須把分析框架失去穩定性的模態作為依據，與此同時，鋼結構框架失穩的模態也可以分為兩種，一是側移，二是無側移。當鋼結構的框架達到一定程度時，在同一個節點中結構的梁能夠為鋼構的框架柱提供相應的約束變矩，根據結構框架柱的子線鋼度的比例對各框架進行分配。由此，就必須要考慮鋼結構框架柱和橫梁之間的約束力。

三、鋼結構穩定性計算特點

在鍋爐鋼結構中，主要分析其荷載和結構變形之間所呈現的非線性關系。首先，幾何的非線性問題就屬于穩定性計算，運用二階的分析方法。而這一方法也和普通結構力學計算內力的方法存在差異。在靜定的結構中，結構變形和內力的計算沒有關系，而其屬于一階的分析；超靜定的結構中，在保證其它多余力的同時，要確保結構的變形相協調，當結構余力確定后，要在原鋼結構的基礎上，對結構中的內力進行計算，不需要考慮結構變形的因素。因此，這也又回到了鋼結構穩定性計算的一階分析環節。對全部的結構內力進行計算，如剪力、拉力、彎矩、壓力，這些都是鋼結構荷載的效應。由于鋼結構的穩定計算會涉及到結構及構件等其它的初始條件，如構件中幾何的長度、材料的性能、結構的內部體系、外荷載的作用、截面的組成等。而鋼結構穩定性計算得出的結果，不管是極限荷載，還是屈服荷載，都能夠表明，穩定性的計算結構與構件所能夠承受的結構穩定承力。其次，鋼結構穩定性計算也被廣泛使用在結構應力問題的疊加原理中，但這一方法卻不適用于穩定計算。在疊加原理中利用結構和桿件。既不包括結構的幾何非線性，同時也不包括材料非線性。但是結構彈性的穩定計算卻也沒有符合上述的第二個前提條件，而結構的非彈性的穩定計算卻同時不符合上述的全部前提條件。因此，鋼結構穩定計算的不能夠適用于應力問題中的疊加原理。

四、分析鍋爐鋼結構的穩定性方法

在一般情況下，對鋼結構穩定性的問題進行分析，但必須要在鋼結構的外荷載的作用下，同時結構發生變形時進行分析，結構的變形主要是對構件或結構是失穩發生的變形加以研究。而非線性是鋼結構荷載和變形之間的關系，這表明處理鋼結構的非線性幾何的這一問題，需要利用穩定計算二階的方法。當進行穩定計算時來確定極限荷載或是屈曲荷載。而它的方法也有很多，如靜力平衡法、能量法、動力發等。動力法是結構中最普遍的方法，其最為基本的原理則是鋼結構處在一種平衡的狀態時，一旦對結構進行細微的干擾讓其產生振動，這時鋼結構所產生的荷載作用，使鋼結構的振動加速及變形都會受到影響。如果鋼結構的穩定荷載小于極限荷載時，結構的加速與變形都會處在一個相反的方向。當干擾停止時，其振動也會停止，使鋼結構處在一個穩定的平衡狀態中；如果鋼結構的穩定荷載大于極限荷載時，則加速與變形就會處在一個相同的方向，當干擾被停止時，其振動依然存在，這時結構會處在一個不夠平衡的狀態中。鋼結構中的臨界狀態荷載也相當于是屈曲荷載，最后結構的振動幾乎為零時，問題就可以解決了。

因此，鍋爐鋼結構中鋼度的分布特點是影響鍋爐鋼結構整理穩定性特點的關鍵。在鍋爐的鋼結構穩定性問題的分析中，大部分都是在結構的外荷載作用的情況下，鋼結構發生變形時進行分析的，結構的變形需要在研究鍋爐的構件或者是結構失穩過程中，結構存在變形的現象相互對應。而鋼結構的構件在失穩時而發生變形，很可能是被結構構件鏈接的約束影響，也可能是受鋼結構的整體結構變形的影響。由此，深入的對鍋爐鋼結構的整體穩定性進行分析是尤為重要的，能夠提高鋼結構的整體受力。

參考文獻：

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