空冷凝汽器支架典型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的承載力數(shù)值計(jì)算

彭偉，宋志強(qiáng)，連霞

（1.中國大唐集團(tuán)科技工程有限公司，北京市，100097；2.北京創(chuàng)毅力源工程技術(shù)咨詢有限公司，北京市，100025）

0 引言

2007年底，我國火電空冷機(jī)組裝機(jī)容量約為23.59 GW，占火電總裝機(jī)容量的4.25%，到2015年，空冷火電機(jī)組裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)100 GW，占火電總裝機(jī)容量的12%[1]。在單機(jī)容量方面，計(jì)劃于2011年建成投產(chǎn)的靈武發(fā)電公司二期工程2臺1 000 MW超超臨界空冷機(jī)組，是世界上首座1 000 MW超超臨界空冷機(jī)組[2]。與火電空冷機(jī)組裝機(jī)容量、工藝水平和工藝設(shè)備的高速發(fā)展相比，作為空冷設(shè)備主要支持系統(tǒng)的空冷支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對滯后，國內(nèi)研究者對空冷凝汽器支架結(jié)構(gòu)的研究也比較少。文獻(xiàn)[3-4]對空冷凝汽器支架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土管柱和鋼桁架節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[5-6]借助ANSYS建立了空冷凝汽器支架結(jié)構(gòu)整體有限元模型，對結(jié)構(gòu)的整體受力性能進(jìn)行了數(shù)值研究。本文以支架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)為研究對象，對節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變狀況進(jìn)行非線性數(shù)值分析。

1 節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模型

空冷凝汽器支架下部為鋼筋混凝土管柱，上部為縱橫交叉鋼桁架。本文取支架下弦節(jié)點(diǎn)為分析對象，該節(jié)點(diǎn)是凝汽器支架的承重節(jié)點(diǎn)，下部作用在鋼筋混凝土管柱上，上部分別通過高強(qiáng)度螺栓連接橫向桁架和縱向桁架的下弦桿及斜腹桿，由多塊鋼板和加勁肋焊接而成的強(qiáng)剛度節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造復(fù)雜。

直接采用ANSYS Preprocessor前處理器建立節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體模型，如圖1所示。實(shí)體模型中不考慮焊縫的影響，采用等強(qiáng)原則，將腹桿與端板直接連接，這樣可以省去分析螺栓而需要添加的接觸單元和預(yù)緊單元，提高計(jì)算效率，節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和實(shí)際情況相差不大。采用solid45單位對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮實(shí)際的計(jì)算能力和精度要求，以及節(jié)點(diǎn)鋼板的最大厚度為50 mm，故控制單位尺寸為50[7]。這樣，鋼板沿厚度方向上只有1排網(wǎng)格，這種劃分的缺點(diǎn)是不能反應(yīng)沿厚度方向上的抗彎性能，但對于薄壁構(gòu)件，這部分彎矩很小，可以忽略不計(jì)。節(jié)點(diǎn)計(jì)算中采用的設(shè)計(jì)荷載取自3d3s軟件對結(jié)構(gòu)整體分析的結(jié)果，如圖2、3所示。

2 節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

4根斜腹桿與節(jié)點(diǎn)鉸接連接，只承受軸向力，桿件荷載以面力形式施加。水平方向4根下弦桿同時(shí)承受軸力、剪力、扭矩和彎矩，將荷載分別加載在截面nodes上比較困難，且不準(zhǔn)確，因此引入端面剛域進(jìn)行加載[8-10]，如圖4所示。即先將桿件端部的工字型截面上定義1層shell63單元面，利用這層面上的node設(shè)置主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，使從節(jié)點(diǎn)的變形與主節(jié)點(diǎn)相同，然后在主節(jié)點(diǎn)上施加荷載，通過剛域?qū)⒘土貍鞯綐?gòu)件上。

圖1 節(jié)點(diǎn)的有限元模型Fig.1 Finite element model of joints

圖2 3d3s節(jié)點(diǎn)模型Fig.2 Joint model of 3d3s

圖3 3d3s 桿件單元Fig.3 Member element of 3d3s

圖4 斷面剛域加載方式Fig.4 Loading mode of section rigid zone

本文采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則來描述鋼材的應(yīng)力、應(yīng)變屬性，同時(shí)采用牛頓-拉普森平衡迭代克服在非線性求解過程中的荷載增量積累的誤差。為了使節(jié)點(diǎn)達(dá)到破壞狀態(tài)，在節(jié)點(diǎn)桿端施加2倍的設(shè)計(jì)荷載，定義1個(gè)荷載步，100個(gè)荷載子步，關(guān)閉自動(dòng)步長調(diào)整選項(xiàng)，使得每一荷載子步固定為0.02倍的設(shè)計(jì)荷載值。

3 算例分析

在時(shí)間歷程后處理器中定義變量，分別儲存節(jié)點(diǎn)垂直腹桿、橫縱向斜腹桿、橫縱向水平腹桿以及節(jié)點(diǎn)域的Von Mises等效應(yīng)力最大值，以時(shí)間為橫軸，繪制節(jié)點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖，如圖5所示。

圖5 斜腹桿、垂直腹桿、水平弦桿和節(jié)點(diǎn)域等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curve of equivalent stress of diagonal web member, vertical web member, horizontal chord member and joint region vs. time

由圖5可看出，縱向斜腹桿的Von Mises等效應(yīng)力時(shí)間曲線斜率最大，表明其應(yīng)力極隨荷載的變化最快，桿件率先出現(xiàn)塑性區(qū)域，屈服荷載為第53子步對應(yīng)的荷載，即1.06倍的設(shè)計(jì)荷載。其次為橫向斜腹桿，在第80荷載子步進(jìn)入塑性狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)域的Von Mises等效應(yīng)力時(shí)間曲線斜率最小，表明其應(yīng)力極值變化最緩，將會在各桿件屈服后最后達(dá)到屈服。節(jié)點(diǎn)在84荷載子步下有限元計(jì)算出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，破壞荷載為設(shè)計(jì)荷載的1.68倍。節(jié)點(diǎn)在屈服荷載和破壞荷載作用下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6～10所示。

圖6 屈服荷載作用下節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力Fig.6 Equivalent stress distribution of joint under yielding load

圖7 屈服荷載作用下節(jié)點(diǎn)位移圖Fig.7 Displacement of joint under yielding load

圖8 斜腹桿連接板應(yīng)力集中云圖Fig.8 Stress concentration of connecting plate of oblique web member

圖9 破壞荷載作用下節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖Fig.9 Equivalent stress of joint under failure load

圖10 破壞荷載作用下節(jié)點(diǎn)位移圖Fig.410 Displacement of joint under failure load

節(jié)點(diǎn)在屈服狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變云圖如圖6、7，由此可以看出，節(jié)點(diǎn)各桿件應(yīng)力相對節(jié)點(diǎn)域比較大，各桿件的應(yīng)力狀態(tài)與其承受的桿端內(nèi)力有關(guān)。節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)塑性的區(qū)域首先出現(xiàn)在斜腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接處，屬于局部應(yīng)力集中（如圖8），并隨著荷載的增加，應(yīng)力會重分布，塑性區(qū)域會逐漸增大。在破壞荷載作用下，節(jié)點(diǎn)桿件和節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力都明顯增大，節(jié)點(diǎn)縱向桿件全截面達(dá)到屈服應(yīng)力，桿件發(fā)生大變形，無法滿足正常使用要求。

4 結(jié)論

（1）由節(jié)點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力時(shí)間曲線和節(jié)點(diǎn)在破壞荷載下的應(yīng)力云圖可以看出，隨著荷載的增加，節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力增加緩慢。當(dāng)縱向桿件完全進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力極值很小，只有約110 MPa，體現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱桿件”設(shè)計(jì)原則。

（2）節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下，即第50荷載子步時(shí)，節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力極值為67 MPa，桿件應(yīng)力極值為212 MPa，滿足承載力要求。雖然屈服荷載只有設(shè)計(jì)荷載值的1.06倍，但是屬于局部塑性屈服，內(nèi)力重分布使得破壞荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的1.68倍，從而使得結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。

（3）節(jié)點(diǎn)在破壞荷載作用下，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形小，節(jié)點(diǎn)位移較小，有限元分析中可不考慮幾何非線性。

[1]王佩璋.我國火電空冷機(jī)組發(fā)展的4個(gè)階段和裝機(jī)規(guī)模[J].發(fā)電設(shè)備，2009（1）：69-72.

[2]戴振會，孫奉仲，王宏國.國內(nèi)外直接空冷系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].電站系統(tǒng)工程，2009，25（3）：1-4.

[3]Bai Guoliang，Zhao Chunlian，Yue Jianguang，etc.Seismic behavior and design methods for joints in air-cooled condenser structure system[C].第8屆鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)國際會議（ASSCS-8），2006.

[4]Zhu Lihua，Bai Guoliang，Tu Feng，etc.Experimental study on seismic behavior of reinforced concrete annular section columns[C]. 9th International Symposium 011 Structure Engineering for Young Experts，2006：2258-2263.

[5]王吉特，溫志鵬.火電廠空冷島鋼結(jié)構(gòu)平臺抗震分析[J].電力建設(shè)，2007，28（6）：61-64.

[6]趙春蓮.空氣冷凝器平臺計(jì)算研究分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[7]雷平和，姜秀娟，張乃強(qiáng)，等.1 000 MW直接空冷機(jī)組排汽管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].電力建設(shè)，2009，30（12）：42-45.

[8]楊海生，李路江，吳瑞濤，等.大型空冷機(jī)組空冷島系統(tǒng)的調(diào)試探討[J].電力建設(shè)，2009，30（1）：50-52.

[9]楊護(hù)洲.空冷島的安裝質(zhì)量及進(jìn)度控制[J].電力建設(shè)，2007，28（6）：71-73.

[10]時(shí)瑛，藺雪竹.直接空冷系統(tǒng)安裝質(zhì)量的控制[J].電力建設(shè)，2007，28（3）：60-61，68.