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摘要:利用ANSYS软件动力分析功能中的模态分析和谱分析功能对火电厂空冷岛钢结构平台的三维模型进行地震波作用下的抗震分析。通过分析可以看出,空冷岛钢结构平台的地震响应较为明显,同时,找到了空冷岛钢结构平台抗震的薄弱环节,并对薄弱环节进行加固,加固后再次进行抗震分析。由2次得出的结果进行比较得出一些结论。
    关键词:空冷岛钢结构平台;.抗震分析;.地震响应
    .引言
    火电厂空冷岛钢结构平台上部承载着管束、风机、蒸汽分配管道等设备,.其结构形式为钢桁架平台与混凝土支柱的结合形式,.平台支撑采用大直径钢筋混凝土薄壁圆筒柱,.柱下为钢筋混凝土独立基础。.其结构稳定性对整个系统的安全运行有着极大影响。.国内对该结构形式的设计缺乏经验,.这也是直接空冷系统国产化的关键技术之一。
    空冷岛钢结构平台紧邻主厂房.A.列外侧,.钢结构平台为空间交叉结构,.具有结构跨度较大、高度较大、上部设备重量较大、支架结构悬挑长度较大、构造连接较复杂、结构形式受地震载荷作用较大等特点。.以.1.台.300.MW.机组的空冷钢结构平台为例,.长约.70.m、宽约.50.m、高约.45.m,.如图.1.所示。
    软件在计算弹性、弹塑性结构地震响应时,.相对专业软件涉及的假设较少,.适用于不规则的高层及超高层钢结构建筑的抗震性能分析。.但是是通用的有限元计算软件,.没有专门的提取钢结构剪力结果的菜单,.可以用.APDL.语言进行开发.来.实.现.。.笔.者.针.对.空.冷.岛.钢.结.构.平.台.,.以机组空冷岛钢结构平台为例,.利用.ANSYS.有限元软件动力分析功能中的模态分析功能和谱分析功能,.使用.APDL.语言进行建模分析,.研究了空冷岛钢结构平台的抗震受力变形情况,.提出了一些关于抗.震优化设计的建议与思路,.供同行参考。
    空冷岛钢结构平台抗震分析
    工程结构的抗震设计,.除了按照建筑物重要性分类确定设防烈度、.选择有利于建筑物的地段和场地类型、确定有利于抗震的结构方案以外,.还要由分析计算的方法,.求出预期地震作用下结构所产生的应力和变形,.这就是结构的地震反应分析。
    .有限元模型某电厂.2×300.MW.机组空冷岛钢结构平台,.其中.1.台机组空气冷凝器钢平台长约.72.m,.宽约平台顶标高约.36.m,.风机数量为.24.台;.平台四周悬挑.1.0~1.8.m.宽的走道,.走道周围设有挡风墙;.平台承重结构由空间交叉钢桁架组成,.钢桁架上设置平台板,.以满足工艺要求,.并保证钢桁架的平面外的侧向稳定,.平台钢梁上铺花纹钢板。空冷岛钢结构平台重量.2.650.t。.平台承重桁架结构由空间交叉钢桁架组成,.由.H.型钢、工字钢、槽钢组合,.采用承压型高强螺栓连接。
    该.空.冷.岛.钢.结.构.采.用.空.间.有.限.元.法.,.应.用语言在.ANSYS.中进行建模。.由于空冷岛钢结构平台较为复杂,.我们没有必要进行全真建模,.在不影响地震分析的情况下,.进行了一些简化,.使得工作的重点放在分析判断的过程,.而不是放在建模中。建模的关键是单元的选择,.本文中所有的柱子、梁均采用梁单元.BEAM188。
    梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。与实体单元和壳单元相比,.梁单元可以效率更高地求解。.此钢结构平台特点为结构跨度大、高度大、支架结构悬挑长度大、构造连接较为复杂,.因此若用实体单元建模,.模型规模庞大,.一般.PC.机难以实现计算。.因此本文利用梁单元组合的方法进行建模。
    是.从.ANSYS5.5.版.开.始.出.现.的.新.型梁单元。它基于铁摩辛柯梁理论,.适合于细长梁或适度深梁的计算分析,.并考虑了剪切变形的影响。其使用及后处理比传统的梁单元,.更加直观方便,.具有更广泛的适用性。.BEAM188.单元是两节点三维梁单元。它的最大特点是支持梁截面形状显示,.可以考虑剪切变形和翘曲,.同时也支持大转动和大应变等非线性行为,.而且也可以直接显示梁截面上的应力和变形。.在用.BEAM188.建模时必须先定义截面形状而且必须指定.1.个方向点,.在形成的每个梁单元中都会生成.1.个方向节点(即额外节点),.它是梁单元的组成部分。.BEAM188.单元每个节点具有.6.个或个自由度,.自由度的多少取决于用户对的选择。.如果.KEYOPT(1)=0,.则每个节点有.6.个自由度,.包括沿节点.X,.Y,.Z.方向的平动及绕节点轴的转动;.如果.KEYOPT(1)=1,.则再加上.1.个翘曲自由度。该单元具有应力刚化及大变形功能,.并支持弹性、徐变或塑性模型。
    对于此算例,.由于.2.台机组空冷岛钢结构平台为完全对称结构,.故只对其中.1.台机组钢结构进行有限元建模分析。.模型包括钢桁架、A.型架、挡风墙有限元模型节点总数.14.910。单元数共计.15.683。本文建立的空冷钢结构平台简化模型如图.2.所示。
    .抗震分析的一般规定进行抗震设计计算时,.一般采用振型分解反映普法或底部剪力法,.采用时程分析法进行补充计算。
    《建筑抗震设计规范》规定高度不超过.40.m,.以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,.以及近似于单质点体系的结构,.可采用底部剪力法,.其余可采用振型分解反应谱法。对特别不规则的建筑、甲类建筑和表.1(采用时程分析法的房屋高度范围)所列高度范围内的主高层建筑,.宜采用时程分析法进行补充计算。
    .谱分析技术反应谱理论是.20.世纪.40.年代美国学者提出的计算地震力的理论,.也称为动力法。它考虑了地震时地面的运动特性与结构物自身的动力特性,.是当前工程设计应用最为广泛的抗震设计方法。.反应谱理论是以单质点体系在实际地震作用下的反应为基础来分析结构反映的方法。
    谱分析是将模态分析结果与一个已知的响应谱联系起来,.然后计算模型的位移和应力的分析技术。
    主要确定结构在随机荷载或随时间变化荷载作用下.的动力响应,.如地震等。响应谱是指位移、速度、加速度和力等响应与频率之间的关系。
    谱分析必须要已知结构的振型和固有频率,.因此要先进行模态分析。在扩展模态时,.只须扩展到对最后进行谱分析有影响的模态即可。
    根.据.某.地.震.波.的.频.率-.位.移.值.作.为.反.应.谱.曲线,.如表.2。
    表.2.数据即为频率-.位移反应谱,.而结构不同的特征频率对应不同的响应值。.各振型对结构响应不同的贡献,.按照.ANSYS.中.SRSS.法即“平方和在开方”的方法,.算出总的位移反应。
    .谱分析操作.APDL.命令流程序语言是.ANSYS.参数设计语言,.是一种解释性语言,.它的功能非常强大,.使用.APDL.语言来进行设计计算胜于.GUI.方式的优越性:.(1).程序的移植性强,.ANSYS.的版本在不断的更新换代中,.任务栏和菜单都会有略微的变化,.用.APDL.语言计算的模型可以直接在高版本执行;.(2).便于参数化设计,.对于方案比选的时候,.可能仅需要变化某个参数而已这时不用重新建模.;.(3).便.于.相.互.之.间.的.探.讨.和.交流,.可以实现完全书面的远程帮助;.(4).节约硬盘空间,.GUI.建模的所有的文件数据均要保存,.可能会占去硬盘几十.G.的空间,.用.APDL.建模只需要保存几十.k.的.命.令.流.文.件.。.APDL.优.点.诸.多.,.本.算.例.用语言编程,.完成用.APDL.语言对于数据的建模及后处理。
    .结果分析应用.APDL.程序在.ANSYS.软件中求解,.求解结果如图.3.所示。由于钢桁架为主要受力结构,.图中变形分析以钢桁架为主要分析对象。
    由图.3.可以看出,.此平台桁架下部梁变形较大是比较薄弱的环节,.需进行加固。
    该平台桁架下部梁变形较大,.为对薄弱环节进行加固,.于是在下部梁加斜撑,.为了最大限度的控制重量,.采用圆钢作为斜撑。.改变模型后,.输入相同.的.APDL.谱分析加载程序进行抗震分析,.加写斜撑后的变形图如图.4.所示。
    由图.4.可见,.变形量明显减小,.整体受力均匀。.由表.3.可知,.加固后的空冷岛钢结构平台抗震性能显著提高,.各项指标都有显著的提高,.空冷岛钢结构平台钢桁架变形量竟提高了.45%。
    地震时地面运动十分复杂,.它是随.时.间.变.化的,.除了有.2.个水平分量外,.还有竖直分量和扭转分量,.再加上结构的空间作用,.构件受力十分复杂,.很难进行精确分析。.地震发生的时间、地点、震级大小和机制有很大的不确定性。.现行规范中地震作用的依据主要是设防烈度,.但烈度的划分是宏观的。.根据现代强震记录,.宏观烈度相近的地震,.地面加速度的值和谱特性有很大的离散性,.最大值与最小值相差很多。.因此抗震设计时采用的地震作用只能是统计意义上的平均值。.在抗震设计、验算中过于追求精确是不必要的,.强调概念设计和加强结构的抗震构造措施在某种意义上更为重要。
    进行前.25.阶的模态分析计算,.提取的.1.阶、阶振型如图.5、图.6.所示。
    图.5.为在受到.Y.向地震波作用下的.1.阶振型,.在平台左侧存在一定程度的扭转,.这是由于平台左侧为挡风墙结构、.右侧与.2.号机组平台相连无挡风墙结构,.造成结构不对称造成的扭转。
    考虑到结构应具有良好的抗振性,.建议在高烈度地区,.空冷岛钢结构平台尽量采用对称的结构形式。以减少在地震荷载及水平荷载作用时,.对钢结构平台产生的扭转效应。
    由图.6.可见,.中间的桁架结构变形量较大需要加强其刚度,.以增强抗震性。
    调整.X2、X3、X4.轴桁架结构,.将单个斜撑改为交叉双支撑,.增大其整体刚性,.增强抗震性,.同时改变其截面型材,.可将.H.型钢更换成圆钢,.保持钢结构总重量不发生变化。
    调整.Y2、Y3、Y4、Y5、Y6.轴桁架结构,.将单个斜撑改为交叉双支撑,.增大其整体刚性,.增强抗震性同时改变其截面型材,.可将.H.型钢更换成圆钢,.保持钢结构总重量不发生变化。
    ..结论
    通过该空冷岛钢结构平台的加固前后的分析结.果,.证明了加固的结构对抗震性能有显著的提高,.这就为火力发电厂空冷岛钢结构平台的设计提供了一条提高抗震能力的思路。.对于空冷岛钢结构平台,.我们可以进行三维建模,.提出多种方案,.用有限元程序进行分析,.找出其抗震的薄弱环节,.并对其进行加固优化设计,.应用有限元程序进行模拟,.找到最优的抗震方案。.达到用最少的材料来最大限度地提高其抗震性能,.既节省材料又提高性能的目的。.这样可以避免盲目的实验,.提高实验效率,.节省了大量资金。

3。参考文献

1 中华人民共和国行业标准 GB50017- 2003.钢结构设计规范.中华人民共和国建设部/国家质量监督检验检疫总局发行, 2003

2 中华人民共和国行业标准 GB50009- 2001.建筑结构荷载规范.中华人民共和国建设部/国家质量监督检验检疫总局发行, 2001

3 中华人民共和国行业标准 GB50011- 2001.建筑抗震设计规范.中华人民共和国建设部/国家质量监督检验检疫总局发行, 2001

4 Ansys 基本过程手册. Ansys. 中国, 2000

本文由 安徽钢结构平台 整理编辑。