某空冷凝汽器鋼結構平臺結構整體有限元分析

彭 偉 曹 東

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

1 工程背景

本工程為某火力發電廠空氣冷凝器支承結構，設計年限50年，安全等級二級。主體結構采用正交鋼桁架。沿橫向共有兩個機組，兩個機組之間留有1.02 m的變形縫，承重結構也分為完全相同的兩部分，本計算書只針對其中一個進行分析驗算。每個機組共分8部分，每部分沿縱向分布7個模塊，共56個模塊。每個模塊布置10片管束，管束由A字形剛架支承，A字形剛架由下部正交鋼桁架支承；每個模塊各設一臺風機、電機、減速箱、風筒以及護網，這些裝置安裝在主桁架形成的區格內。正交桁架坐落在下部高約40 m的混凝土柱上。總體結構模型如圖1所示。

主排氣管一端支承在地面，一端支承在主桁架上。工程所在地海拔1 557 m～1 580 m。模塊平面尺寸：11.310 m×11.730 m，混凝土柱截面采用圓環截面(D外徑×壁厚)：D4 000×450，混凝土柱頂標高：36.950 m，柱基標高：-4.000 m，風機蓋板標高：45.000 m，擋風墻頂標高：58.155 m，蒸汽分配管軸線標高：56.525 m。

2 材料性質

空冷凝汽器鋼結構平臺鋼材采用Q345B和Q235B，管束采用20號鋼，混凝土柱采用C45。

3 荷載工況

ANSYS中的恒荷載、活荷載和風荷載從3D3S軟件中直接導入，地震作用通過APDL命令流的方式寫入ANSYS軟件中。

3.1 永久荷載

主要包括:管束(作用于敷設在A形架上管道上)、擋風墻面板自重、蒸汽分配管(為了考慮蒸汽分配管對結構剛度的貢獻，模型中將其作為結構構件建入，取最小規格的截面，其他規格的重量按荷載輸入)、風機、減速箱、電機、凝結水收集聯箱、風筒及風機護網、蒸汽隔離閥、鉸鏈式膨脹節、風機蓋板、移動沖洗裝置、電動葫蘆與環鏈手拉葫蘆、雜項設備。

3.2 可變荷載

主要包括:風機軸向推力、設備維護平臺、設備就地檢修平臺、分配聯箱的上部平臺、風機蓋板上的灰塵等、結水管道和抽真空管道各支點荷載、吊架。

3.3 風荷載

工程所在地50年一遇，10 m高10 min平均最大設計風速為27.7 m/s，相應風壓為0.48 kN/m2。地面粗糙度A類，風荷載隨高度、陣風等因素所產生的變化以及擋風墻和混凝土柱的風荷載體型系數按《建筑結構荷載規范》的規定來考慮。

3.4 雪荷載

50年一遇最大積雪深度11 cm，相應基本雪壓0.20 kN/m2，屋面積雪分布系數按照《建筑結構荷載規范》規定考慮。

3.5 溫度作用

溫度作用考慮±33 ℃的溫差。

3.6 地震作用

抗震設防類別：乙類，地震作用不提高，抗震措施提高1度。抗震設防烈度8度，50年超越概率10%的地面地震動峰值加速度為0.208g，建筑場地類別Ⅰ類,設計特征周期0.35 s。

3.7 支座差異沉降作用

設計中考慮兩個支座沉降工況，沉降量假定為10 mm。如果實際沉降超過10 mm，將考慮利用其他方式消除過大的沉降差，從而避免產生過高的應力。

4 平臺的整體穩定分析

4.1 計算分析模型

在靜力工況分析的基礎上對火力發電廠空氣冷凝器支承平臺進行了整體模型的穩定分析。靜力分析時，采用的工況組合為恒載、活載和風載，組合系數均為1.0，考慮了結構體系的幾何和材料兩種非線性屬性(見圖1)。

4.2 穩定分析方法

4.2.1特征值穩定分析

特征值穩定分析為用于預測一個理想彈性結構的理論屈曲強度，即彈性屈曲分析方法。此種方法方便快捷，可以給出理想結構的彈性臨界荷載值。但是由于其忽略了初始缺陷和非線性特性，使得特征值穩定分析經常得出非保守結果，通常僅為實際結構的分析提供參考，具體結果如表1所示。

表1 特征值分析穩定系數

4.2.2非線性穩定分析

在對支承平臺進行整體模型的特征值及N-R法穩定分析結果的基礎上采用弧長法進行了整體模型的非線性穩定分析，比較了兩種不同組合工況下的結構的穩定極限承載力，并由此得到了兩種組合工況下的荷載—位移曲線。

取柱頭最大位移節點206和正交桁架的最大位移節點319進行非線性穩定的全過程分析，得到其荷載—位移曲線見圖2和圖3。

從圖2和圖3中可以看出考慮幾何和材料非線性特性時，結構的非線性穩定承載力較特征值穩定承載力有較大的降低，其荷載倍數約是設計荷載的4.8倍，滿足規范要求。當荷載約為4倍設計荷載時，結構出現剛度退化。在這之前，結構整體剛度良好，位移響應基本表現為線性行為。

5 結語

使用大型通用有限元軟件ANSYS對空氣冷凝器支承結構進行了三維有限元模型建模，進行了恒、活、風等荷載作用下的結構受力分析，并按照中國規范對整體結構在地震作用下的受力情況進行了反應譜分析。并采用特征值穩定方法和非線性穩定分析方法對結構進行了穩定性分析。對于風機的振動頻率與結構的影響通過進行整體諧響應分析來考察。有限元分析結果表明：

1)對比結構表明ANSYS和3D3S的分析結果是吻合的，可信的；

2)穩定分析結果表明結構的穩定性很好，二階效應對結構的影響較小，結構具有足夠的穩定承載能力；

3)整體結構的諧分析結果表明由于風機振動引起的結構的位移響應很小，位移響應衰減很快。分析結果還表明風機部分運轉和全部運轉產生的振動對結構的影響差別很小。