低溫冷卻器鋼支架設計及承載性能分析

劉巍

摘要：根據華能金陵電廠除塵設備本體及剛性鋼支架的受力特點，利用Staad Pro建立有限元模型，對結構進行靜力分析、結構設計、屈曲分析和非線性分析。計算結構的變形、內力、穩定應力比以及結構的屈曲模態和特征值屈曲荷載，給出有缺陷結構的荷載-位移曲線及極限承載力。結果表明：利用Staad Pro軟件能夠快速地進行鋼結構的設計和分析，比較準確地把握結構真實受力性能，表明剛性鋼支架是一種可靠、穩定的結構承載體系；在工期較短時應用廣泛。

Abstract： According to the mechanical characteristics of the dust removal equipment and the rigid steel support， the finite element model was built by Staad Pro to do static analysis， structural design， buckling analysis and nonlinear analysis of the structure. The deformation， internal force， stable stress ratio of the structure， and the buckling mode and eigenvalue buckling load of the structure were calculated， and the load-displacement curve and ultimate bearing capacity of the defective structure was given. The results show that Staad Pro software can realize quick design and analysis of steel structure， so that we can accurately grasp the real mechanical properties of the structure， indicating that the rigid steel frame is a stable and reliable structure bearing system. It is widely used in projects with short construction time.

關鍵詞：低溫冷卻器；剛性鋼支架；Staad Pro；結構設計；極限承載力

Key words： cryogenic coolers；rigid steel frame；Staad Pro；structural design；ultimate bearing capacity

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0134-03

0 引言

本文工程為華能金陵電廠2×1030MW機組WGGH配套改造工程，WGGH設備分為煙氣冷卻器和再加熱器兩部分。在我國火力發電工程中，煙氣反應設備結構常用支撐體系主要有3種：混凝土框架結構、剛性鋼支架結構、柔性鋼支架結構[1]。其中，柔性鋼支架結構由支撐和鋼柱構成，無梁連接，整體性較差，不宜適用于較大荷載支撐體系；框架混凝土結構由混凝土梁、柱構成，混凝土樓板設置較少，故該結構體系抗側剛度小，混凝土梁常作為壓彎構件，且施工養護周期長，經濟性較差；剛性鋼支架結構是由鋼梁、鋼柱、交叉撐或人字撐組成的剛性結構體系，側向剛性大，結構整體性強，安裝方便，耗鋼量少，適用于各種高度的支架，是目前最常用的結構體系[2]。

本文通過實際工程案例對剛性鋼支架利用Staad Pro有限元軟件進行靜力分析、結構設計、屈曲分析和非線性分析，在為計算類似結構的剛性鋼支架提供參考。

1 工程概況

本工程本體為WGGH冷卻器鋼支架，原有鋼支架為除塵器進口煙道支架，現將該段煙道拆除并改造為冷卻器支撐鋼架。改造后的冷卻器支架采用剛性鋼支架支撐體系，除塵器柱腳位置設置為鉸接柱腳，布置如圖1所示。

2 結構模型建立

2.1 模型簡介

Staad Pro建立計算模型如圖2所示，支架剛性層分為2層，層高分別為7.700m和17.520m，鋼梁與鋼柱連接節點、支撐與梁柱節點均采用鉸接節點計算，鋼柱柱腳與混凝土基礎鉸接連接，平面支撐及豎向斜撐采用桁架單元，剛性層中鋼格柵與鋼梁點焊搭接，對整體結構不提供側向剛度，在計算模型中，其荷載包含在柱頂豎向恒荷載中。本工程中，優先采用交叉支撐，并可按拉桿設計，較為經濟[2]。

鋼柱、鋼梁采用Q345B鋼，平面支撐、豎向斜撐及節點板材質為Q235B。鋼柱截面為H550×450×16×18，梁截面主要采用H型鋼窄翼緣截面，斜撐采用圓管及H型鋼截面支撐。梁、支撐材料及截面如表1。

2.2 荷載分布情況

鋼支架承受的荷載可分為恒荷載、活荷載、水平風荷載和地震荷載四部分，恒荷載主要為煙氣冷卻器設備和連接煙道的重力荷載，由搭設在鋼架上的荷載點傳遞至鋼梁。水平荷載分為風荷載和地震荷載，鋼支架結構體系延性好，剛性層所受水平荷載可通過平面支撐傳遞至梁柱節點，再通過豎向斜撐轉化為鉸接柱腳拉壓力和柱腳與混凝土基礎頂面處的水平反力。

垂直荷載中恒載和活載可直接按柱頂處的節點荷載輸入，溫度膨脹和收縮引起的摩擦力遠小于外力荷載，建模時可不考慮；由于水平荷載引起的反應器本體結構傾覆荷載影響相對較小，計算時可以忽略；水平荷載主要是由除塵器設備引起的風荷載和地震作用組成，風荷載根據荷載規范計算[3]。

地震作用通過地震反應譜法進行計算。結構抗震設防烈度為7度，地震加速度0.10g，地面粗糙度B類，結構阻尼比根據《建筑結構抗震規范》[4]（GB 50011-2001）8.2.2條：鋼結構在多遇地震下的阻尼比，對不超過12層的鋼結構可采用0.035，對超過12層的鋼結構可采用0.02；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05）取值0.035，場地特征周期0.35s。地震影響系數曲線見圖3。

3 靜力分析

靜力分析主要分析結構在荷載組合作用下結構構件的強度、位移和穩定性。鋼支撐體系結構穩定應力遠大于強度應力，故主要驗算支撐、鋼梁及鋼柱的穩定性驗算，各構件驗算情況見表2。

模型計算表明，結構X向最大位移為35.63mm，結構Y向最大位移為26.59mm。鋼支撐結構內力以軸力為主，結構的最大強度應力為250MPa，結構的變形和應力滿足設計要求。

計算結果表明：結構立柱主要由穩定控制，立柱的穩定應力比強度應力更大，斜撐為軸向受力構件，同樣考慮穩定應力驗算，梁、柱、支撐構件均為長細比控制，設計滿足要求，結構安全可靠。

4 非線性分析

非線性分析能夠更加真實模擬結構在荷載作用下的響應情況，其核心思想是將荷載分解為一系列的若干增量荷載，依此對結構施加增量荷載。針對每個增量荷載對結構產生的影響，不斷調整結構剛度矩陣，依此累計，反應結構在加載全過程的非線性變化情況，可以得到結構極限承載值[5]。

理論模型中，影響結構承載力的因素非常多，有結構幾何布置、殘余應力、材料缺陷等。本工程中，僅使用構件初始彎曲模擬缺陷影響（1/500）。缺陷形狀為屈曲分析的一階失穩模態。極限承載力與設計荷載之比，即為結構的設計安全系數。1/500缺陷非線性屈曲分析的荷載-Y向位移曲線如圖4所示。

圖4中可以得出：結構極限承載力的荷載系數為拐點處結構極限承載力的荷載系數為4.4，結構的Y向最大位移為30mm，說明結構在1/500缺陷下結構的極限承載力與設計荷載之比為4.4，結構設計安全可靠。

5 結論

鋼支架支撐結構體系是一種快速安裝制造、承載力較大，抗震性能好的結構體系。同時，鋼材表面除銹、防腐技術的提升，使得鋼支架支撐結構體系廣泛應用于工業設備支撐結構領域，能夠滿足工程項目安全性、合理性和經濟性的要求。

類似于剛性鋼支架以構件為主的結構，不能僅進行靜力分析，還必須結合相關規范進行結構的設計，保證結構的構件穩定、長細比、位移撓度等滿足設計要求，同時還要通過屈曲分析，找出結構的薄弱點。由于臨界荷載系數一般取1.3～1.6，為安全考慮，建議臨界荷載系數要大于2。該類型結構能夠同時滿足工期及結構承載力等方面要求。

參考文獻：

[1]賴毅強.脫硫除塵島鋼支架結構形式分析[J].鋼結構，2012， 27（12）：45-49.

[2]李寶熺.除塵設備剛性鋼支架設計及承載性能分析[J].鋼結構，2013，7：013.

[3]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]戴海金.電除塵器鋼支架設計[J].機電技術，2008，31（2）： 48-49.