鍋爐鋼架荷載分類及組合工況的研究

范云露 宋永石 梁 燁

（1.河北特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 石家莊 050000）

（2.長(zhǎng)江師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 重慶 408100）

鍋爐鋼架荷載分類及組合工況的研究

范云露1宋永石2梁 燁1

（1.河北特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 石家莊 050000）

（2.長(zhǎng)江師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 重慶 408100）

鋼架是鍋爐的主要承重結(jié)構(gòu)，一般采用重復(fù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，這種方法不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且結(jié)果也不夠精確，針對(duì)此問題重點(diǎn)分析鍋爐鋼架所承受的各種載荷，對(duì)鍋爐鋼架運(yùn)行過程中所承受的載荷形式、計(jì)算方法進(jìn)行探討研究，提出有限元分析過程中載荷的有效施加方式，為達(dá)到鍋爐鋼架設(shè)計(jì)過程中的高精度快速設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

鍋爐鋼架 荷載 有限元分析

1 鍋爐鋼架荷載分類

鍋爐鋼架的所產(chǎn)生的荷載一般是由爐墻、平臺(tái)、鍋筒、各受熱面等。一般情況下這些重量先作用在梁上，通過柱再作用于構(gòu)架的基礎(chǔ)，傳遞到柱上最后被地基所承受。故若要計(jì)算鋼架梁上的載荷，首先需要計(jì)算出作用于鋼架上的總荷載。鋼架荷載可分為以下列四大類：

風(fēng)荷載；活荷載；地震作用載荷；恒荷載。

1.1 風(fēng)荷載

針對(duì)一般的鍋爐鋼架，大多使用擬靜力法來處理，即完全可以滿足安全要求。首先把風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為靜力，之后和其他類型荷載重新組合加載于鋼架之上，將鋼架內(nèi)力與位移求解的方法即為擬靜力法[1-2]。

當(dāng)前，對(duì)半露天或露天設(shè)備而言，風(fēng)載荷作用的模擬依舊是一個(gè)較困難的問題，常用方法是將設(shè)備按照高度分為N（N＞2）段，依次求出各段的總載荷值，繼而利用有關(guān)軟件計(jì)算出各段模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，之后求出各節(jié)點(diǎn)所承受的力的數(shù)值。由于每段承受的載荷值為定值，所以并不能真實(shí)、實(shí)時(shí)的模擬出風(fēng)載荷，故N值的大小，就影響著風(fēng)載荷的作用，N值越大，模擬就越貼近真實(shí)，計(jì)算出的結(jié)果也就更加可信[3]。

按照《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》算出施加荷載的大小后按常規(guī)外載荷將其加載到迎風(fēng)面，算出穩(wěn)定的風(fēng)壓。按式（1）計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)表面上的風(fēng)荷載值。

式中：

ωK——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

βZ——高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；

μS——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ω0——基本風(fēng)壓， kN/m2。

1）風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ

風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ參照地面粗糙度類別加以確定[4]。地面的粗糙度分類見表1。需要注意的是此種方法只用于建在非山區(qū)的鍋爐鋼架[5]。

表1 地面粗糙度類別

風(fēng)壓高度變化系數(shù)可由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查詢得到，但考慮其他因素的影響，其系數(shù)也可按表2中的公式計(jì)算得出[6]。

表2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)公式

2）基本風(fēng)壓值ω0

基本風(fēng)壓值與風(fēng)速直接關(guān)聯(lián)，一般計(jì)算風(fēng)壓值按照“V2/1600”，其中V是風(fēng)速。此外參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[7]，基本風(fēng)壓需大于0.3kN/m2。

3）風(fēng)荷載體型系數(shù)μS

鍋爐鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)按照GB 50009—2012中規(guī)定，本文案例中的鋼結(jié)構(gòu)為矩形，運(yùn)用擬靜力計(jì)算方法，選擇的風(fēng)荷載體型系數(shù)如圖1所示。

4）風(fēng)振系數(shù)βZ

鋼架結(jié)構(gòu)在平均變形位置附近會(huì)有左右搖擺的現(xiàn)象，這是由于建筑物受到風(fēng)壓的作用會(huì)發(fā)生形變?cè)龃竺}動(dòng)風(fēng)荷載所導(dǎo)致的結(jié)果。計(jì)算建筑物風(fēng)振系數(shù)見式（2）：

圖1 風(fēng)荷載體型系數(shù)

式中：

ξ——脈動(dòng)增大系數(shù)；

υ——脈動(dòng)影響系數(shù)；

ψZ——振型系數(shù)；

μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

1.2 活荷載

一般情況下，鍋爐在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的荷載屬于活荷載，此外，作用在樓梯上以及安放在平臺(tái)上的設(shè)備均作為活荷載。

1.3 地震作用載荷

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)做有限元分析時(shí)，處理地震作用載荷的方法包含如下幾類[8-9]：

1）按慣性力處理地震作用載荷

計(jì)算地震作用載荷時(shí)，把建筑物假設(shè)為一個(gè)剛性體，使其運(yùn)動(dòng)特性與地面的運(yùn)動(dòng)特性達(dá)到一致，且最大加速度和地面的最大加速度相等即按慣性力處理。依照式（3）計(jì)算水平地震最大加速度：

式中：

amax——水平地震最大加速度；

αmax——最大水平地震影響系數(shù)，按表3取值；

g——為重力加速度，g=9.8m/s2。

表3 最大水平地震影響系數(shù)取值

利用相關(guān)軟件計(jì)算分析有限元時(shí)，可采用取風(fēng)荷載與地震作用荷載組合最大值的方法，將鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量密度與地震作用的最大加速度依次輸入相關(guān)變量。

2）將地震作用載荷按底部剪力法處理

采用底部剪力法計(jì)算地震載荷作用，式（4）簡(jiǎn)化為：

式中：

αmax——最大水平地震影響系數(shù)，按表3取值；

GK——構(gòu)件重量；

A——作用面積。

算出震作用力后繼續(xù)在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上做有限元的靜力分析[10]。

3）將地震作用載荷按時(shí)程分析法處理

將地震作用載荷按時(shí)程分析法處理就是對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程逐步積分，計(jì)算出鋼架結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)及鋼架的變形和內(nèi)力。故此法亦稱為動(dòng)力分析法或直接積分法[4]。其求解過程如圖1所示。

圖2 時(shí)程分析過程圖

4）地震作用載荷按反應(yīng)譜理論處理

反應(yīng)譜理論即將地震作用視為“靜力”，把反應(yīng)譜與模態(tài)分析結(jié)果聯(lián)合到一起，計(jì)算位移和應(yīng)力的準(zhǔn)動(dòng)力分析技術(shù)。分析過程如圖3所示。

圖3 譜分析過程圖

1.4 永久荷載（恒荷載）

鋼架的自重、內(nèi)應(yīng)力等均作為永久載荷，永久荷載值一般情況下不隨時(shí)間變化而改變。

2 荷載組合

綜上所述，四種載荷可帶入公式計(jì)算的包括活荷載和恒載荷，其余兩種載荷則按有限元分析法進(jìn)行加載。其中恒荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，活荷載既可采用標(biāo)準(zhǔn)值亦可以采用組合值。在有限元計(jì)算分析過程中，各種荷載施加方式可整理見表4。

表4 荷載施加方式匯總

3 結(jié)論

基于對(duì)鍋爐鋼架的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)鋼架所受荷載的施加方式，提出以節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行施加的方法，可以更加貼近真實(shí)值。

鍋爐鋼架上經(jīng)常作用的風(fēng)荷載、活荷載、地震作用載荷、恒荷載的概念、計(jì)算方法以及在有限元分析時(shí)載荷的施加方式，可方便地在編程中實(shí)現(xiàn)具體載荷的計(jì)算。此外，還可以研究探討無地震作用時(shí)組合工況和有地震作用的組合工況[11-12]。

[1] 賴邦鵬.大型特種鋼結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析[D].上海：上海交通大學(xué)， 2009.

[2] 劉曉琴.鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[3] GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 王櫟.空間立體桁架結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)特性研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[5] 謝京臣.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的靜動(dòng)力性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2012.

[6] 蔡鈞，傅鵬程.IEC、ASCE、GB50545規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)對(duì)比與分析[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2011，(05)：58-60.

[7] 邵寧.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載[J].環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)，2013，(12)：1-2.

[8] 張兵，張玲萍.工業(yè)鍋爐安裝常見問題分析與質(zhì)量控制[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2016，32(12)：63-67.

[9] 韓偉.6t塔式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[10] 陳增響.特種疲勞振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[D].無錫：江南大學(xué)，2009.

[11] 宋軼，騰儒民，陳禮.基于ANSYS殼單元與三維實(shí)體單元的鍋爐管板分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2012，28(07)：8-10.

[12] 陳銘.ANSYS軟件在鍋爐剛架結(jié)構(gòu)分析中的二次開發(fā)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2014.

Study on Load Classi fi cation and Combination Condition of Steel Frame in Boiler

Fan Yunlu1Song Yongshi2Liang Ye1
(1. Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Institute Shijiazhuang 050000)
(2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Yangtze Normal University Chongqing 408100)

The steel frame is the main load-bearing structure in boiler. The general design method is repetitive verifying calculation, which is not only time consuming, but also not accurate for the result. To solve these problems,this paper focuses on the analysis of various loads of steel frame in boiler, and discusses the loading forms and its calculation method of the boiler steel frame in running process, puts forward an effective way of applying load fi nite element analysis, and provides a theoretical basis for the high precision design of boiler steel frame.

Boiler steel frame Load Finite element analysis

X933.2

B

1673-257X（2017）10-0024-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.006

范云露（1988～)，女，碩士，從事壓力容器檢驗(yàn)工作。

范云露，E-mail： 283328839@qq.com。

2017-03-27）