鍋爐鋼結構的整體穩定性研究

張鵬飛

摘 要：鍋爐鋼結構有著變化多樣的布置形式，而且荷載條件又十分復雜，一些大型的鍋爐不但鋼結構極其復雜，同時其內部結構還十分龐大，擁有數量繁多的桿件數，類似于600MW的鍋爐內部結構中桿件的數量多達數千根，而且多數巨大的荷載數量都直接作用到鍋爐結構上，針對荷載獨立工況與組合工況繁多且多樣化的結構構造情況，國內鍋爐行業內至今還沒有有效的分析與設計方法，該文作者針對ANSYS軟件中的兩種不同屈曲情況進行仔細分析并深入研究鍋爐鋼結構的整體穩定性。

關鍵詞：鍋爐 鋼結構 整體穩定性 研究

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0220-01

由于鋼結構框架有著自重較輕、工程造價較低、有效面積大且施工速度較快等的優勢，而在我國被普遍應用。但是目前國內還沒有能夠十分有效的解決鍋爐鋼結構整體穩定性的分析方法與設計，破壞鋼結構的一大主要原因就是喪失了框架的穩定，因此在設計鍋爐鋼結構的框架中計算其穩定性是非常重要的一項環節。鍋爐鋼結構變化多樣的布置形式與多種復雜的荷載條件使得想要設計出一個穩定的結構十分困難，一個大型復雜的鋼結構鍋爐中可能會有數千個根桿件構成，同時由于結構上要承受很多且很大的荷載數量，加之繁多的荷載獨立工況、組合工況以及多樣化的結構構造形式。因此，在設計鋼框架結構時必須要考慮到整體的穩定性以及局部子結構或單位構件的穩定性，而結構的整體穩定又不同于構件的穩定，二者在表現方式上不同而內在卻又有著十分復雜的關系。因此在實際的設計中，一般都將兩者互相影響的條件看作理想中的假定條件，目前理論上已經有針對單個構件穩定性的一套成熟的分析方法了，但是因為要分析構件之間相互的作用與幾何、材料非線性對結構整體穩定性的影響比較困難，同時結構整體的穩定性主要體現為構件失穩的相關性方面，其中最不利的情況便是結構桿件先發生失穩，與它直接相連的其他桿件可推遲其失穩現象，所以，結合穩定理論與鋼結構設計來防止結構失穩，同時充分挖掘潛力，確定極限承載力，并考慮構件的整體穩定與構件的局部穩定。目前要分析鍋爐鋼結構的整體情況，通常是采取分析ANSYS軟件中的兩種屈曲情況來分析，該研究者就ANSYS軟件中的兩種屈曲來進行著重研究，從而分析整體鍋爐鋼結構的穩定性。

1 分析框架結構穩定的近似狀態

目前要分析框架的彈性，有許多種方法，常用的有平衡法、轉角位移法以及剛度矩陣法。單層單跨的屈曲荷載是其中最為簡單的一種情況，一般多采用平衡法來進行分析，而且平衡法也只能用于這種簡單情況的分析，進行其他情況的分析時多采用轉角位移法，此方法必須要依據二階分析要求，將桿件變曲剛度受軸力影響的情況計算進去。合理的設計框架就必須使所有柱都在同時失穩，只有這時的框架彈性才比較穩定，框架結構的彈性穩定計算等同于計算的框架柱的彈性穩定，也就是說框架中任意一柱所承受的彈性臨界力與該柱在框架整體發生彈性失穩時承受的軸力是相同的，所以，當框架符合或者近似于所有柱同時失穩時的條件，就可將對框架結構彈性穩定的分析當成框架柱的長度問題來計算。但是要計算框架的穩定又要按照其失穩模態來進行分析，而框架結構的失穩模態又分為無側移與有側移兩種，當框架柱到達臨界狀態時，同一節點相交的梁為該柱提供的約束變矩則會依據柱子線的剛度比分配到各個柱子上，因此這時要考慮到連同該柱的橫梁與柱的約束作用。在發生無側移對稱屈曲的情況時，橫梁兩端轉角的方向相反但大小卻相同，該柱轉角的大小與方向和上下柱的遠端轉角都相同，當發生有側移反對稱屈曲的情況時，橫梁兩端的轉角方向與大小都是相同的，上下柱轉角的大小與方向都相同。

2 ANSYS中的兩種屈曲分析研究

2.1 鋼架特征值屈曲分析研究

首先要考慮風荷載的水平作用，讓柱節點與梁中點上的垂直載為100KN。

此時，特征值屈曲分析所得臨界荷載，如下：TIME/FREQ：280.53、280.98、282.16；LOAD STEP：1、1、1；SUBSTEP：1、2、2；CUMULATIVE：1、3、3

當施加的向荷載為100KN時，就取得了上述第一階模態的所得值，與10KN乘積為28 000KN就是屈曲臨界荷載。此時各階屈曲模態中顯示出的構架是對稱失穩的。

2.2 鋼架非線性屈曲狀態研究

研究鋼架非線性的屈曲狀態時，可將特征屈曲荷載看作給定荷載，再以特征矢量屈曲為依據來行狀，在結構上施加初始缺陷和擾動荷載，再通過臨界荷載進行弧長法分析，但是在實際的工程進行中，要使一個模態分析行到結構臨界的荷載點，這時再計算非線性屈曲產生結構的安全系數。

而這時從模態分析圖形中將不難發現，柱FZ-4會最先發生失穩屈曲，在47.5m頂點處的荷載-位移將從圖中可以看出，本構架的失穩形式是極值點失穩，這時的非線性屈曲荷載為2*105KN。

3 結語

總而言之，隨著電力與冶金行業的不斷發展，鍋爐鋼架這種特殊的結構越來越廣泛的被應用到了實際工程中，通過利用ANSYS對框架進行力學方面的分析，并依據分析結果來分析鍋爐鋼結構的整體穩定性。

參考文獻

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