大型發電鍋爐廠房重型電纜支吊架的抗震與減振分析

歐 洋 陳 蘭 蘇楚澤 蘇文彬

(1.華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510000；2.廣東金來電氣有限公司 廣東 佛山 528000)

一、概述

電纜支吊架產品是60年代初期，工業發達國家研制出來的一種新型電纜敷設裝置[1]。電廠的電纜支吊架須具有良好的抗震和減振性能，使得管線具有足夠抵抗災害的能力，確保電廠安全運營的重要措施[2,3]。目前，我國電廠抗震設計規范中涉及電纜支吊架抗震的設計內容比較少且無明確規定[4,5]。隨著經濟發展，我國電廠建設的規模越來越大，重型電纜支吊架在實際工程中應用的越來越多。電纜支吊架作為電廠能源輸送管線的重要支撐結構，其安全和工作性能直接影響整個發電系統正常運營，也是抵抗極端荷載作用和災后功能恢復的重要組成部分。因此，有必要開展電廠電纜支吊架的抗震、減振和長期性能等方面的研究。

針對華南某沿海地區能源基地新建的1GW級燃煤發電機組鍋爐廠房的懸挑重型電纜支吊架展開分析。該鋼結構鍋爐廠房臨海而建，風振明顯，且運營階段大型設備的振動嚴重，使得懸挑的重型電纜支吊架的抗震性能和運營過程中的振動問題突出。本文采用大型有限元軟件ANSYS進行支吊架的分析計算，分別建立了無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐結構的精細化實體模型，對各模型的基本力學和抗震減振性能進行對比分析。基于計算分析，設計了抗震減振性電纜支吊架，并成功應用于該工程。

二、工程概況

華南某沿海地區能源基地新建8臺1GW燃煤發電機組，廠址場地抗震設防烈度為Ⅶ度，主要建筑物抗震措施按8度設防，設備應能承受設計基本地震加速度值為0.11g施加于設備結構最弱部分時，在共振條件下所發生的動態地震應力，并且安全系數應大于1.67。百年重現期的基本風壓為1kN/m2，地面粗糙度為A類；建筑場地類別為II類。據多年氣象資料統計，多年平均風速為2.8m/s；最大風速為63.8m/s。

三、有限元分析模型

懸挑電纜支吊架立柱和橫梁均為100×100×6×8mm的H型鋼，立柱長2m，橫梁長1m。托臂長0.6m，共6層，間距0.3m，托臂豎向受載2kN。斜撐作用在立柱1/2高處，與立柱成45°角，一端課增設減振裝置，拉壓剛度為4145kN/m。基于ANSYS軟件，建立三種支吊架支撐結構(無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐)的精細化有限元模型，如圖1所示。有限元模型采用Solid186單元精確建立各構件的尺寸和連接方式，采用MASS21單元模擬電纜的質量，使用COMBIN14單元模擬斜撐減振器。上部橫梁一端懸挑，一端固結于結構主梁。

圖1 三種電纜支吊架支撐結構

四、支吊架力學分析

在每層托臂上均布200kg的質量塊(每層托臂受力約2kN)，橫梁一端固接一端懸空。三種結構在靜力荷載作用下的力學響應列表1。

表1 靜力荷載作用下響應

由圖2和表1分析可知，與無斜撐結構相比，普通抗震斜撐結構和抗震減振結構能顯著增加支吊架的豎向和側向剛度，橫梁固接處應力有一定程度的減少。相對于無斜撐結構，普通抗震斜撐結構和抗震減振斜撐結構能明顯降低托臂末端最大豎向位移與立柱底部最大縱向位移，同時，結構的應力分布也更為合理。相比于普通斜撐的支吊架，帶減振裝置的支吊架其位移和應力稍有增大，但兩者差異不大。帶抗震斜撐的支吊架力學性能要明顯優于無斜撐支吊架。

五、支吊架抗震與減振分析

利用有限元軟件，對三種支吊架施加10秒0.5g罕遇地震作用(地震三方向加速度0.8X+0.6Y+Z，X-橫向、Y-豎向、Z-縱向)。計算地震作用下三種支吊架結構的最大相對位移和最大應力，見表2。

表2 三種電纜支吊架支撐結構的地震響應

由表2的數據結果可知，與無斜撐結構相比，普通抗震斜撐結構和抗震減振結構的托臂末端最大相對位移、立柱底部最大相對位移小很多，托臂與墊板連接處最大應力無明顯變化，立柱與橫梁連接處的最大應力減少接近一半，橫梁固接處應力有一定程度的減少。可知，在抗震減振性能方面，相對于無斜撐結構，普通抗震斜撐結構和抗震減振斜撐結構在三個方向的振動位移幅值均明顯減少，其中抗震減振斜撐結構的減振效果最好。在關鍵部位最大應力方面，抗震減振結構的最大應力相對于其它兩種結構，有明顯減小。

六、結論

本文對臨海環境下某大型發電廠房的懸挑重型電纜支吊架進行結構受力和地震作用的有限元軟件分析，對比了無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐的支吊架有限元模型，通過從靜力性能和抗震性能兩個方面進行對比分析，得到結論如下：

1.靜載分析表明，相對于無斜撐結構，普通抗震斜撐結構和抗震減振斜撐結構能明顯降低托臂末端最大豎向位移與立柱底部最大縱向位移，結構內力分布更為合理。相比于普通斜撐支吊架，帶有減振裝置斜撐的支吊架其位移和應力稍有增大，但兩者差異不大。

2.地震荷載分析表明，相對于無斜撐結構，普通抗震斜撐結構和抗震減振斜撐結構在三個方向的振動位移幅值均明顯減少，其中抗震減振斜撐結構的減振效果最好，且最大應力明顯小于其它兩種形式的支吊架。