地震作用下火力發電廠鋼煤斗與主廠房的動力相互作用研究

黃君寧，劉 晶

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013）

地震作用下火力發電廠鋼煤斗與主廠房的動力相互作用研究

黃君寧，劉 晶

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013）

運用有限元方法建立鋼煤斗與主廠房的三維整體模型，采用時程分析的方法對模型進行地震響應分析，分析了不同工況下煤斗對主廠房的影響，結果表明煤斗與主廠房的動力相互作用對結構有顯著的影響，在結構設計中要予以考慮。

鋼煤斗；主廠房；相互作用

1 前言

大型的火力發電廠是現代城市的生命線工程，在大型火力發電廠的主廠房設計中，一般是將鋼煤斗的荷載作為外荷載施加在煤斗大梁上，然后進行主廠房的設計計算。然而這種處理方法只是將煤斗荷載作為集中質量點考慮到主廠房的計算中，沒有考慮煤斗的剛度和質量分布對主廠房的影響。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS建立主廠房與鋼煤斗的整體模型［1，2］，對不同工況下的模型進行時程分析，以研究在地震荷載的作用下鋼煤斗與主廠房的動力相互作用，為主廠房的設計提供一些參考。

2 運動方程

以節點位移、速度和加速度作為未知向量，結構在地震作用下的動力方程如下：

3 算例及分析

3.1 計算模型及其參數介紹

以某600WM機組的火力發電廠的主廠房為原型進行分析。該主廠房框架為鋼結構，樓板為現澆混凝土結構，結構的典型剖面圖如圖1所示。結構的汽機房跨度為30.6m，BC列間距為10.5m，CD列間距14.5m。煤倉間高度60m。混凝土的彈性模量為E1=3.0×104MPa，重度γ1=25kN/m3；鋼材的彈性模量取E2=2.06×105MPa，重度γ2=78.5kN/m3。

圖1 主廠房剖面圖

3.2 有限元模型的建立

單元和模型選擇是進行結構動力分析的關鍵，常用的模型有剪切型模型、剪彎型模型、桿系模型和單柱模型。其中，桿系模型能夠較好地分析結構的受力和破壞狀態。因此，本文以桿系模型為基礎，引入梁單元和殼單元。主廠房的框架梁、柱以及鋼煤斗的加勁肋采用梁單元，主廠房各層樓板和煤斗壁采用殼單元。兩種單元的每個節點都有6個自由度，即3個平動自由度和3個轉動自由度。

在本文中為了對比分析鋼煤斗與主廠房的動力相互作用對主廠房的時程特性的影響，建立以下三種工況下的有限元模型：I-主廠房無鋼煤斗，II-主廠房和空的鋼煤斗，III-鋼煤斗中滿煤。對這三種工況的模型分別進行模態分析和時程分析，并對結果進行對比。

3.3 結構的動力特性分析

采用子空間迭代法對有限元模型進行模態分析得到各種工況下的自振頻率和振型。其中工況I的振型如圖2所示，

圖2 主廠房振型圖

圖3 主廠房與煤斗振型圖

表1 模型的各階自振周期（s）

從模態的分析的結果可以看出，主廠房增加了煤斗后頻率明顯的減小，這是因為煤斗相當于在煤倉間的位置增加了主廠房的質量，而對主廠房框架的剛度影響不大，所以使結構的頻率降低。當煤斗內裝滿煤的時候，這種效果更加明顯。從振型圖上看，各種工況下的第一階振型為朝主廠房縱向的偏移，第二階為橫向偏移，第三階為扭轉。可見煤斗對主廠房的振型影響不大。從以上分析可知，煤斗對主廠房的動力特性的影響，主要是增加了煤倉間的質量，降低了結構的頻率。由于煤斗在其中部通過16個支座與煤倉間的煤斗梁相連，整體性較好，在低階頻率沒有發生煤斗自身的振動模態。在低階振型中，煤斗基本保持與煤斗梁垂直，隨煤斗梁一起運動。

3.4 地震反應分析

地震反應分析采用美國EL -Centro（N-S，1940年）地震記錄，它是一個典型的II、III類場地的地震記錄，特征周期為0.3～0.4s，加速度峰值達到3.417 m/s2，地震記錄的時間間隔為0.02s，記錄時間長度為7.98s。

用ANSYS的完整矩陣法，對以上各個工況的模型進行動力時程分析，廠房模型煤倉間頂層位移時程曲線和煤斗滿煤模型的頂層位移時程曲線分別如圖4、圖5所示。對于廠房模型當時間為2.78s時，主廠房煤倉間頂層位移達到最大值0.096m，煤斗梁達到最大位移0.057m。對于廠房煤斗模型，當時間為2.8s時，主廠房煤倉間頂層位移達到最大值0.102m，煤斗梁達到最大位移0.063m。對于煤斗滿煤的模型，當時間為2.08s時，煤倉間頂層位移達到最大值0.100m，煤斗梁位移達到0.074m。

圖4 主廠房模型的頂層位移時程曲線

圖5 煤斗滿煤模型的頂層位移時程曲線

從時程分析的結果可以看出，主廠房增加了煤斗以后位移反應的時程曲線變得圓滑，這個主要是由于考慮煤斗后主廠房的頻率降低，主廠房變成一個相對較柔的結構造成的。同時隨著煤斗的質量的增加，煤斗梁的位移峰值明顯增大，這主要是由于隨著煤斗荷載的顯著增加，煤斗梁處所受的水平地震力大大增大的緣故。但是煤倉間頂層位移峰值在煤斗滿煤的時候反而比空煤斗的時候略小一些，這個主要是由于地震影響系數不同造成的。由于空煤斗的模型的基本自振周期為1.286s，與地震波的特征周期較接近，而煤斗滿煤的模型的基本自振周期為2.103s，與地震波的特征周期相差較大，這樣滿煤模型的地震影響系數要遠低于空煤斗模型。這樣煤斗滿煤的模型由于煤斗處的自重遠遠大于空煤斗模型，雖然地震影響系數小，但是地震荷載還是大于空煤斗模型。然而對于煤斗以上部分結構，由于結構自重沒有變化，這樣煤斗滿煤的模型的地震荷載要小于空煤斗模型。可見，煤斗滿煤的工況并不是對主廠房所有的結構構件地震作用下的最不利工況。

3 結論

通過對主廠房與鋼煤斗的整體模型的分析可以得到以下結論：

（1）煤斗對主廠房的自振頻率影響較大，特別是當煤斗內滿煤時會使主廠房的自振頻率明顯降低。由于是采用的支撐煤斗，煤斗通過16個支撐點與煤斗梁相連，煤斗與煤斗梁的整體性較好，整體模型的各階階模態振型都是煤斗與主廠房的整體振動，只有在煤斗滿煤的模型中的高階振型中出現了煤斗自身的振動。

（2）主廠房在空煤斗的工況下，結構的自振周期與地震波的特征周期相近，結構的地震影響系數較大。主廠房增加了鋼煤斗的荷載后，結構的基本自振周期變長，地震影響系數變小了。因此對于煤斗梁以上位置的結構構件煤斗滿煤工況并不是最不利工況，因此在結構設計中需要驗算空煤斗的工況。

［1］龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］《貯倉結構設計手冊》編寫組.貯倉結構設計手冊［M］.北京：中國建筑出版社，1999.

Dynam ic Analysis of Interaction betw een Steel Coal Bunker and M ain Building under Condition of Earthquake

Huang Junning Liu Jing
（Shandong e lectric pow er eng ineering consu lting institu te co rr，LTD.Jinan，250013）

3D integral fnite element model building is established to analysis the dynam ic interaction between steel coal bunker and main building.Through the time history method to analysis the seism ic response of the fnite element model，the result showthat the infuence of dynam ic interaction between steel coal bunker and main building can’t be neglected.

steel coal bunker； main building； dynamic interaction