鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性研究

張鵬飛

摘 要：鍋爐鋼結(jié)構(gòu)有著變化多樣的布置形式，而且荷載條件又十分復(fù)雜，一些大型的鍋爐不但鋼結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，同時其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還十分龐大，擁有數(shù)量繁多的桿件數(shù)，類似于600MW的鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)中桿件的數(shù)量多達(dá)數(shù)千根，而且多數(shù)巨大的荷載數(shù)量都直接作用到鍋爐結(jié)構(gòu)上，針對荷載獨(dú)立工況與組合工況繁多且多樣化的結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況，國內(nèi)鍋爐行業(yè)內(nèi)至今還沒有有效的分析與設(shè)計方法，該文作者針對ANSYS軟件中的兩種不同屈曲情況進(jìn)行仔細(xì)分析并深入研究鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鍋爐 鋼結(jié)構(gòu) 整體穩(wěn)定性 研究

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0220-01

由于鋼結(jié)構(gòu)框架有著自重較輕、工程造價較低、有效面積大且施工速度較快等的優(yōu)勢，而在我國被普遍應(yīng)用。但是目前國內(nèi)還沒有能夠十分有效的解決鍋爐鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的分析方法與設(shè)計，破壞鋼結(jié)構(gòu)的一大主要原因就是喪失了框架的穩(wěn)定，因此在設(shè)計鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的框架中計算其穩(wěn)定性是非常重要的一項環(huán)節(jié)。鍋爐鋼結(jié)構(gòu)變化多樣的布置形式與多種復(fù)雜的荷載條件使得想要設(shè)計出一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)十分困難，一個大型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)鍋爐中可能會有數(shù)千個根桿件構(gòu)成，同時由于結(jié)構(gòu)上要承受很多且很大的荷載數(shù)量，加之繁多的荷載獨(dú)立工況、組合工況以及多樣化的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式。因此，在設(shè)計鋼框架結(jié)構(gòu)時必須要考慮到整體的穩(wěn)定性以及局部子結(jié)構(gòu)或單位構(gòu)件的穩(wěn)定性，而結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定又不同于構(gòu)件的穩(wěn)定，二者在表現(xiàn)方式上不同而內(nèi)在卻又有著十分復(fù)雜的關(guān)系。因此在實際的設(shè)計中，一般都將兩者互相影響的條件看作理想中的假定條件，目前理論上已經(jīng)有針對單個構(gòu)件穩(wěn)定性的一套成熟的分析方法了，但是因為要分析構(gòu)件之間相互的作用與幾何、材料非線性對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響比較困難，同時結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)為構(gòu)件失穩(wěn)的相關(guān)性方面，其中最不利的情況便是結(jié)構(gòu)桿件先發(fā)生失穩(wěn)，與它直接相連的其他桿件可推遲其失穩(wěn)現(xiàn)象，所以，結(jié)合穩(wěn)定理論與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計來防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，同時充分挖掘潛力，確定極限承載力，并考慮構(gòu)件的整體穩(wěn)定與構(gòu)件的局部穩(wěn)定。目前要分析鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體情況，通常是采取分析ANSYS軟件中的兩種屈曲情況來分析，該研究者就ANSYS軟件中的兩種屈曲來進(jìn)行著重研究，從而分析整體鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 分析框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的近似狀態(tài)

目前要分析框架的彈性，有許多種方法，常用的有平衡法、轉(zhuǎn)角位移法以及剛度矩陣法。單層單跨的屈曲荷載是其中最為簡單的一種情況，一般多采用平衡法來進(jìn)行分析，而且平衡法也只能用于這種簡單情況的分析，進(jìn)行其他情況的分析時多采用轉(zhuǎn)角位移法，此方法必須要依據(jù)二階分析要求，將桿件變曲剛度受軸力影響的情況計算進(jìn)去。合理的設(shè)計框架就必須使所有柱都在同時失穩(wěn)，只有這時的框架彈性才比較穩(wěn)定，框架結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定計算等同于計算的框架柱的彈性穩(wěn)定，也就是說框架中任意一柱所承受的彈性臨界力與該柱在框架整體發(fā)生彈性失穩(wěn)時承受的軸力是相同的，所以，當(dāng)框架符合或者近似于所有柱同時失穩(wěn)時的條件，就可將對框架結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定的分析當(dāng)成框架柱的長度問題來計算。但是要計算框架的穩(wěn)定又要按照其失穩(wěn)模態(tài)來進(jìn)行分析，而框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)又分為無側(cè)移與有側(cè)移兩種，當(dāng)框架柱到達(dá)臨界狀態(tài)時，同一節(jié)點(diǎn)相交的梁為該柱提供的約束變矩則會依據(jù)柱子線的剛度比分配到各個柱子上，因此這時要考慮到連同該柱的橫梁與柱的約束作用。在發(fā)生無側(cè)移對稱屈曲的情況時，橫梁兩端轉(zhuǎn)角的方向相反但大小卻相同，該柱轉(zhuǎn)角的大小與方向和上下柱的遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)角都相同，當(dāng)發(fā)生有側(cè)移反對稱屈曲的情況時，橫梁兩端的轉(zhuǎn)角方向與大小都是相同的，上下柱轉(zhuǎn)角的大小與方向都相同。

2 ANSYS中的兩種屈曲分析研究

2.1 鋼架特征值屈曲分析研究

首先要考慮風(fēng)荷載的水平作用，讓柱節(jié)點(diǎn)與梁中點(diǎn)上的垂直載為100KN。

此時，特征值屈曲分析所得臨界荷載，如下：TIME/FREQ：280.53、280.98、282.16；LOAD STEP：1、1、1；SUBSTEP：1、2、2；CUMULATIVE：1、3、3

當(dāng)施加的向荷載為100KN時，就取得了上述第一階模態(tài)的所得值，與10KN乘積為28 000KN就是屈曲臨界荷載。此時各階屈曲模態(tài)中顯示出的構(gòu)架是對稱失穩(wěn)的。

2.2 鋼架非線性屈曲狀態(tài)研究

研究鋼架非線性的屈曲狀態(tài)時，可將特征屈曲荷載看作給定荷載，再以特征矢量屈曲為依據(jù)來行狀，在結(jié)構(gòu)上施加初始缺陷和擾動荷載，再通過臨界荷載進(jìn)行弧長法分析，但是在實際的工程進(jìn)行中，要使一個模態(tài)分析行到結(jié)構(gòu)臨界的荷載點(diǎn)，這時再計算非線性屈曲產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

而這時從模態(tài)分析圖形中將不難發(fā)現(xiàn)，柱FZ-4會最先發(fā)生失穩(wěn)屈曲，在47.5m頂點(diǎn)處的荷載-位移將從圖中可以看出，本構(gòu)架的失穩(wěn)形式是極值點(diǎn)失穩(wěn)，這時的非線性屈曲荷載為2*105KN。

3 結(jié)語

總而言之，隨著電力與冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，鍋爐鋼架這種特殊的結(jié)構(gòu)越來越廣泛的被應(yīng)用到了實際工程中，通過利用ANSYS對框架進(jìn)行力學(xué)方面的分析，并依據(jù)分析結(jié)果來分析鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

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