基于STAAD的室燃鍋爐鋼結構分析方法研究

鄭曉波

(華西能源工業股份有限公司，四川 自貢 643000)

0 引言

STAAD軟件具有可視化、友好的用戶界面，以及強有力的分析以及設計功能等特點，在國內電力設計院、鍋爐裝備制造等行業得到了廣泛應用。利用STAAD軟件建立室燃鍋爐鋼結構力學模型，并對鋼結構進行整體受力與穩定性分析，僅考慮材料彈性階段的分析方法主要有一階彈性分析和二階彈性分析。合理的分析策略及分析方法的選擇對保證分析結果的正確性和結構的安全性至關重要。

1 建立力學模型

1.1 結構布置原則

根據室燃鍋爐結構特點，鋼結構選擇框架支撐結構體系，平面和立面布置應規則、對稱，并應具有良好的整體性，盡量避免結構的剛度突變。室燃爐鋼結構宜采用雙排柱布置，柱距的確定應兼顧場地、設備和鋼結構本身的受力要求，柱宜布置在在同一軸線上，以便以此軸線組成垂直剛性平面。

1.2 創建計算模型

室燃鍋爐鋼結構計算模型可直接在STAAD軟件幾何建模功能模塊中創建，也可由其他建模軟件(AutoCAD、UG/NX、Solidworks等)創建后生成STAAD能夠識別的模型文件(3D DXF、QSE ASA、Stardyne、CIS/2等)，再導入到STAAD中生成模型。模型生成后須指定截面特性、材料特性、特殊構件、設置節點約束條件和支座信息等，并導入荷載。

2 荷載計算與分配

2.1 荷載分類

室燃鍋爐鋼結構所承受的荷載主要包括永久荷載(鍋爐本體部件及相關設備的自重；保溫絕熱材料、管內介質及積灰、積渣等自重；電站設計部門作用在鍋爐鋼結構上的永久荷載等)、可變荷載(所有作用在鍋爐鋼結構上和鍋爐平臺、運轉層、爐頂上的活荷載及風、雪荷載)和地震作用。

2.2 荷載取值

結構自重的標準值按結構件的尺寸與材料單位體積自重來確定。運轉層混凝土平臺荷載由電站設計單位提供，一般自重標準值取4 kN/m2，活荷載標準值取8 kN/m2。在正常使用極限狀態作用效應的標準組合中，運轉層活荷載標準值可乘以系數0.6進行折減。檢修平臺活荷載標準值取4 kN/m2，通行平臺活荷載標準值取2 kN/m2。屋面荷載自重標準值和活荷載標準值取0.5 kN/m2，雪荷載根據鍋爐建設地氣象資料確定，且不與屋面活荷載同時組合。風荷載標準值由基本風壓確定，其值應由鍋爐用戶提供，也可按GB 50009規范中給出的該地區50年一遇的風壓取值，且不得小于0.3 kN/m2。鍋爐鋼結構的地震作用效應根據抗震設防烈度(設計基本地震加速度)、設計地震分組、場地類別及建筑類別綜合確定。

2.3 荷載分配

鍋爐永久荷載和可變荷載按作用位置可以按節點荷載或均布荷載的方式進行分配(見圖1)，風荷載按鍋爐總體布置情況考慮分配形式(設置緊身封閉或露天布置無導向裝置的鍋爐，根據不同高度的風荷載標準值，以鋼結構各節點的受風面積按節點荷載分配到相應節點上，如圖2所示；露天布置有導向裝置的鍋爐，先根據導向裝置所約束的鍋爐受風面積計算出其所承受的風荷載，再將荷載作用在導向裝置所在位置的鋼結構上)。STAAD軟件可根據上述情況采用節點荷載、構件荷載、面積/樓板荷載等方法，方便進行相應荷載的施加。STAAD軟件配有內置算法來自動生成橫向地震荷載(根據UBC規范來計算總的橫向地震作用力或基底剪力)，風荷載和地震荷載也可通過中國規范檢驗軟件SSDD生成并導入到STAAD中。

圖1 豎向荷載示意圖

圖2 風荷載示意圖

3 分析方法比較與選擇

室燃鍋爐鋼結構應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合，并取各自最不利的荷載組合進行分析設計。其考慮材料彈性階段的結構分析可采用一階線彈性分析法，也可采用二階彈性分析法進行分析計算。

3.1 一階分析和二階分析的區別

一階分析采用計算長度法，二階分析為考慮結構幾何和物理缺陷的計算分析，即同時考慮P-△效應和P-δ效應對結構的影響。一階分析結合計算長度法進行結構的穩定性計算在規范GB 50017、GB/T 22395及結構設計相關規范中已有詳細介紹，本文不再贅述。二階分析中的內力分布形態完全不同于一階分析，并不是一階分析結果的簡單放大，因此，通常的荷載線性組合也不適用于二階分析，必須在每個組合好的工況下進行。

3.2 二階分析方法優缺點分析

在SRAAD中，P-△效應和P-δ效應可以通過在分析中附加幾何剛度(geometric stiffness)來實現。STAAD軟件在執行分析時，選擇P-Delta分析命令(關鍵詞為PDELTA KG ANALYSIS)，可同時考慮桿件和板殼的幾何剛度，也可應用在二維板殼模型的分析中。

對室燃鍋爐鋼結構使用二階彈性分析計算結構穩定性時，最重要的一步是對結構的缺陷估計和模擬，這往往也是最困難的一步，目前STAAD軟件還不能自動化完成，需要人工操作進行缺陷的定義和模擬。主要方法有2種，即將所有幾何和物理缺陷都通過等效的幾何缺陷進行考慮，或對結構施加等效缺陷荷載進行考慮。

第一種方法是在STAAD中先對室燃鍋爐鋼結構模型進行線性屈曲分析(buckling analysis)，得到結構的最低階屈曲模態后，通過數據處理再將其指定回結構，實際結果就是改變了結構的原始幾何坐標數據。其優點是只考慮一個大的涵蓋所有因素的等效幾何缺陷，缺點是在實際設計時操作比較麻煩，如果結構可能需要驗算不止一組缺陷，則需要使用多個具有不同幾何的模型進行檢驗。另外，有時結構最低階模態不一定是整體屈曲模態，可能只是局部屈曲模態，如果模型建的不合理，前幾階模態出現的很有可能是局部屈曲模態，這樣對結構模型的合理性也需要重新判定。

圖3 等效缺陷荷載示意圖

3.2 分析方法的選擇

在STAAD中進行一階分析(計算長度系數法)和二階分析(P-△效應和P-δ效應)均可以實現，計算長度系數法實現更為簡便一些，對簡單規則的框架結構運用一階分析已能保證足夠的安全度。對室燃鍋爐鋼結構而言，其結構較為復雜且不規則，計算長度系數法分析此類結構雖有不足，但在二階分析時缺陷的定義和施加更為困難，包括STAAD在內的眾多結構分析軟件對單根構件的初始缺陷模擬仍存在不足，在STAAD軟件中通過二階分析直接計算出來的構件穩定僅限于平面內穩定(彎曲失穩)，實際單根桿件的初始彎曲缺陷(P-δ效應)遠比平面內失穩復雜得多。因此，運用STAAD軟件按規范GB 50017施加假想水平力Hni的方法對室燃鍋爐鋼結構進行考慮P-△效應的二階分析，其目的主要是驗算結構的整體穩定性，分析計算的重點在于整體缺陷(P-△效應)的模擬，單根構件的初始缺陷對結構的影響仍需要通過穩定系數來考慮，桿件的計算長度可以取1，并對單根構件進行規范檢驗。另外，不同結構對缺陷的敏感度不盡相同，其理論體系尚處于發展和完善中，不同結構的二階分析結果是否具有足夠的安全度仍需要謹慎判別。

因此在室燃鍋爐鋼結構設計時，一般情況下仍采用一階分析計算方法，二階分析計算結構整體穩定性僅作為一階分析計算(計算長度系數法)的補充計算采用。

4 結語

STAAD作為國際化的通用結構設計軟件，具有高效靈活的建模環境、強大的分析計算能力等諸多優勢。針對室燃鍋爐鋼結構模型大、工況多、組合復雜、初次建模和調整量大，以及分析計算快速響應等需求，STAAD軟件都能有效處理。但在進行具體結構計算分析時，應根據不同室燃鍋爐項目的鋼結構特點，采用最合理的結構模型和分析策略，一般情況下仍采用一階分析方法為主，二階分析僅作為一階分析的整體穩定性補充計算采用，不能盲目追求STAAD軟件二階分析方法的先進性而忽略了對結構適用性的研判，避免因選擇分析方法不當而導致結構出現安全性不足等問題。