大型發(fā)電鍋爐廠房重型電纜支吊架的抗震與減振分析

歐 洋 陳 蘭 蘇楚澤 蘇文彬

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510000；2.廣東金來電氣有限公司 廣東 佛山 528000)

一、概述

電纜支吊架產(chǎn)品是60年代初期，工業(yè)發(fā)達(dá)國家研制出來的一種新型電纜敷設(shè)裝置[1]。電廠的電纜支吊架須具有良好的抗震和減振性能，使得管線具有足夠抵抗災(zāi)害的能力，確保電廠安全運(yùn)營的重要措施[2,3]。目前，我國電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中涉及電纜支吊架抗震的設(shè)計(jì)內(nèi)容比較少且無明確規(guī)定[4,5]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國電廠建設(shè)的規(guī)模越來越大，重型電纜支吊架在實(shí)際工程中應(yīng)用的越來越多。電纜支吊架作為電廠能源輸送管線的重要支撐結(jié)構(gòu)，其安全和工作性能直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)營，也是抵抗極端荷載作用和災(zāi)后功能恢復(fù)的重要組成部分。因此，有必要開展電廠電纜支吊架的抗震、減振和長期性能等方面的研究。

針對華南某沿海地區(qū)能源基地新建的1GW級燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐廠房的懸挑重型電纜支吊架展開分析。該鋼結(jié)構(gòu)鍋爐廠房臨海而建，風(fēng)振明顯，且運(yùn)營階段大型設(shè)備的振動嚴(yán)重，使得懸挑的重型電纜支吊架的抗震性能和運(yùn)營過程中的振動問題突出。本文采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行支吊架的分析計(jì)算，分別建立了無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)的精細(xì)化實(shí)體模型，對各模型的基本力學(xué)和抗震減振性能進(jìn)行對比分析。基于計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了抗震減振性電纜支吊架，并成功應(yīng)用于該工程。

二、工程概況

華南某沿海地區(qū)能源基地新建8臺1GW燃煤發(fā)電機(jī)組，廠址場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，主要建筑物抗震措施按8度設(shè)防，設(shè)備應(yīng)能承受設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.11g施加于設(shè)備結(jié)構(gòu)最弱部分時，在共振條件下所發(fā)生的動態(tài)地震應(yīng)力，并且安全系數(shù)應(yīng)大于1.67。百年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為1kN/m2，地面粗糙度為A類；建筑場地類別為II類。據(jù)多年氣象資料統(tǒng)計(jì)，多年平均風(fēng)速為2.8m/s；最大風(fēng)速為63.8m/s。

三、有限元分析模型

懸挑電纜支吊架立柱和橫梁均為100×100×6×8mm的H型鋼，立柱長2m，橫梁長1m。托臂長0.6m，共6層，間距0.3m，托臂豎向受載2kN。斜撐作用在立柱1/2高處，與立柱成45°角，一端課增設(shè)減振裝置，拉壓剛度為4145kN/m。基于ANSYS軟件，建立三種支吊架支撐結(jié)構(gòu)(無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐)的精細(xì)化有限元模型，如圖1所示。有限元模型采用Solid186單元精確建立各構(gòu)件的尺寸和連接方式，采用MASS21單元模擬電纜的質(zhì)量，使用COMBIN14單元模擬斜撐減振器。上部橫梁一端懸挑，一端固結(jié)于結(jié)構(gòu)主梁。

圖1 三種電纜支吊架支撐結(jié)構(gòu)

四、支吊架力學(xué)分析

在每層托臂上均布200kg的質(zhì)量塊(每層托臂受力約2kN)，橫梁一端固接一端懸空。三種結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)列表1。

表1 靜力荷載作用下響應(yīng)

由圖2和表1分析可知，與無斜撐結(jié)構(gòu)相比，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振結(jié)構(gòu)能顯著增加支吊架的豎向和側(cè)向剛度，橫梁固接處應(yīng)力有一定程度的減少。相對于無斜撐結(jié)構(gòu)，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)能明顯降低托臂末端最大豎向位移與立柱底部最大縱向位移，同時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布也更為合理。相比于普通斜撐的支吊架，帶減振裝置的支吊架其位移和應(yīng)力稍有增大，但兩者差異不大。帶抗震斜撐的支吊架力學(xué)性能要明顯優(yōu)于無斜撐支吊架。

五、支吊架抗震與減振分析

利用有限元軟件，對三種支吊架施加10秒0.5g罕遇地震作用(地震三方向加速度0.8X+0.6Y+Z，X-橫向、Y-豎向、Z-縱向)。計(jì)算地震作用下三種支吊架結(jié)構(gòu)的最大相對位移和最大應(yīng)力，見表2。

表2 三種電纜支吊架支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

由表2的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，與無斜撐結(jié)構(gòu)相比，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振結(jié)構(gòu)的托臂末端最大相對位移、立柱底部最大相對位移小很多，托臂與墊板連接處最大應(yīng)力無明顯變化，立柱與橫梁連接處的最大應(yīng)力減少接近一半，橫梁固接處應(yīng)力有一定程度的減少?？芍?，在抗震減振性能方面，相對于無斜撐結(jié)構(gòu)，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)在三個方向的振動位移幅值均明顯減少，其中抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)的減振效果最好。在關(guān)鍵部位最大應(yīng)力方面，抗震減振結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力相對于其它兩種結(jié)構(gòu)，有明顯減小。

六、結(jié)論

本文對臨海環(huán)境下某大型發(fā)電廠房的懸挑重型電纜支吊架進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力和地震作用的有限元軟件分析，對比了無斜撐、普通抗震斜撐和抗震減振斜撐的支吊架有限元模型，通過從靜力性能和抗震性能兩個方面進(jìn)行對比分析，得到結(jié)論如下：

1.靜載分析表明，相對于無斜撐結(jié)構(gòu)，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)能明顯降低托臂末端最大豎向位移與立柱底部最大縱向位移，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更為合理。相比于普通斜撐支吊架，帶有減振裝置斜撐的支吊架其位移和應(yīng)力稍有增大，但兩者差異不大。

2.地震荷載分析表明，相對于無斜撐結(jié)構(gòu)，普通抗震斜撐結(jié)構(gòu)和抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)在三個方向的振動位移幅值均明顯減少，其中抗震減振斜撐結(jié)構(gòu)的減振效果最好，且最大應(yīng)力明顯小于其它兩種形式的支吊架。