基于STAAD的室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)分析方法研究

鄭曉波

(華西能源工業(yè)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(qiáng)有力的分析以及設(shè)計(jì)功能等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)院、鍋爐裝備制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。利用STAAD軟件建立室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力與穩(wěn)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(duì)保證分析結(jié)果的正確性和結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。

1 建立力學(xué)模型

1.1 結(jié)構(gòu)布置原則

根據(jù)室燃鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)選擇框架支撐結(jié)構(gòu)體系，平面和立面布置應(yīng)規(guī)則、對(duì)稱，并應(yīng)具有良好的整體性，盡量避免結(jié)構(gòu)的剛度突變。室燃爐鋼結(jié)構(gòu)宜采用雙排柱布置，柱距的確定應(yīng)兼顧場(chǎng)地、設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)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(chuàng)建計(jì)算模型

室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型可直接在STAAD軟件幾何建模功能模塊中創(chuàng)建，也可由其他建模軟件(AutoCAD、UG/NX、Solidworks等)創(chuàng)建后生成STAAD能夠識(shí)別的模型文件(3D DXF、QSE ASA、Stardyne、CIS/2等)，再導(dǎo)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(gòu)件、設(shè)置節(jié)點(diǎn)約束條件和支座信息等，并導(dǎo)入荷載。

2 荷載計(jì)算與分配

2.1 荷載分類

室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)所承受的荷載主要包括永久荷載(鍋爐本體部件及相關(guān)設(shè)備的自重；保溫絕熱材料、管內(nèi)介質(zhì)及積灰、積渣等自重；電站設(shè)計(jì)部門作用在鍋爐鋼結(jié)構(gòu)上的永久荷載等)、可變荷載(所有作用在鍋爐鋼結(jié)構(gòu)上和鍋爐平臺(tái)、運(yùn)轉(zhuǎn)層、爐頂上的活荷載及風(fēng)、雪荷載)和地震作用。

2.2 荷載取值

結(jié)構(gòu)自重的標(biāo)準(zhǔn)值按結(jié)構(gòu)件的尺寸與材料單位體積自重來確定。運(yùn)轉(zhuǎn)層混凝土平臺(tái)荷載由電站設(shè)計(jì)單位提供，一般自重標(biāo)準(zhǔn)值取4 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取8 kN/m2。在正常使用極限狀態(tài)作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合中，運(yùn)轉(zhuǎn)層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值可乘以系數(shù)0.6進(jìn)行折減。檢修平臺(tái)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取4 kN/m2，通行平臺(tái)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2 kN/m2。屋面荷載自重標(biāo)準(zhǔn)值和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5 kN/m2，雪荷載根據(jù)鍋爐建設(shè)地氣象資料確定，且不與屋面活荷載同時(shí)組合。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值由基本風(fēng)壓確定，其值應(yīng)由鍋爐用戶提供，也可按GB 50009規(guī)范中給出的該地區(qū)50年一遇的風(fēng)壓取值，且不得小于0.3 kN/m2。鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度(設(shè)計(jì)基本地震加速度)、設(shè)計(jì)地震分組、場(chǎng)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(jié)點(diǎn)荷載或均布荷載的方式進(jìn)行分配(見圖1)，風(fēng)荷載按鍋爐總體布置情況考慮分配形式(設(shè)置緊身封閉或露天布置無導(dǎo)向裝置的鍋爐，根據(jù)不同高度的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，以鋼結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的受風(fēng)面積按節(jié)點(diǎn)荷載分配到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，如圖2所示；露天布置有導(dǎo)向裝置的鍋爐，先根據(jù)導(dǎo)向裝置所約束的鍋爐受風(fēng)面積計(jì)算出其所承受的風(fēng)荷載，再將荷載作用在導(dǎo)向裝置所在位置的鋼結(jié)構(gòu)上)。STAAD軟件可根據(jù)上述情況采用節(jié)點(diǎn)荷載、構(gòu)件荷載、面積/樓板荷載等方法，方便進(jìn)行相應(yīng)荷載的施加。STAAD軟件配有內(nèi)置算法來自動(dòng)生成橫向地震荷載(根據(jù)UBC規(guī)范來計(jì)算總的橫向地震作用力或基底剪力)，風(fēng)荷載和地震荷載也可通過中國(guó)規(guī)范檢驗(yàn)軟件SSDD生成并導(dǎo)入到STAAD中。

圖1 豎向荷載示意圖

圖2 風(fēng)荷載示意圖

3 分析方法比較與選擇

室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并取各自最不利的荷載組合進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。其考慮材料彈性階段的結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 一階分析和二階分析的區(qū)別

一階分析采用計(jì)算長(zhǎng)度法，二階分析為考慮結(jié)構(gòu)幾何和物理缺陷的計(jì)算分析，即同時(shí)考慮P-△效應(yīng)和P-δ效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。一階分析結(jié)合計(jì)算長(zhǎng)度法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算在規(guī)范GB 50017、GB/T 22395及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中已有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。二階分析中的內(nèi)力分布形態(tài)完全不同于一階分析，并不是一階分析結(jié)果的簡(jiǎn)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(gè)組合好的工況下進(jìn)行。

3.2 二階分析方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

對(duì)室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)使用二階彈性分析計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，最重要的一步是對(duì)結(jié)構(gòu)的缺陷估計(jì)和模擬，這往往也是最困難的一步，目前STAAD軟件還不能自動(dòng)化完成，需要人工操作進(jìn)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(jìn)行考慮，或?qū)Y(jié)構(gòu)施加等效缺陷荷載進(jìn)行考慮。

第一種方法是在STAAD中先對(duì)室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行線性屈曲分析(buckling analysis)，得到結(jié)構(gòu)的最低階屈曲模態(tài)后，通過數(shù)據(jù)處理再將其指定回結(jié)構(gòu)，實(shí)際結(jié)果就是改變了結(jié)構(gòu)的原始幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是只考慮一個(gè)大的涵蓋所有因素的等效幾何缺陷，缺點(diǎn)是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)操作比較麻煩，如果結(jié)構(gòu)可能需要驗(yàn)算不止一組缺陷，則需要使用多個(gè)具有不同幾何的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。另外，有時(shí)結(jié)構(gòu)最低階模態(tài)不一定是整體屈曲模態(tài)，可能只是局部屈曲模態(tài)，如果模型建的不合理，前幾階模態(tài)出現(xiàn)的很有可能是局部屈曲模態(tài)，這樣對(duì)結(jié)構(gòu)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(jìn)行一階分析(計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法)和二階分析(P-△效應(yīng)和P-δ效應(yīng))均可以實(shí)現(xiàn)，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)便一些，對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)運(yùn)用一階分析已能保證足夠的安全度。對(duì)室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且不規(guī)則，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法分析此類結(jié)構(gòu)雖有不足，但在二階分析時(shí)缺陷的定義和施加更為困難，包括STAAD在內(nèi)的眾多結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)單根構(gòu)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(jì)算出來的構(gòu)件穩(wěn)定僅限于平面內(nèi)穩(wěn)定(彎曲失穩(wěn))，實(shí)際單根桿件的初始彎曲缺陷(P-δ效應(yīng))遠(yuǎn)比平面內(nèi)失穩(wěn)復(fù)雜得多。因此，運(yùn)用STAAD軟件按規(guī)范GB 50017施加假想水平力Hni的方法對(duì)室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮P-△效應(yīng)的二階分析，其目的主要是驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，分析計(jì)算的重點(diǎn)在于整體缺陷(P-△效應(yīng))的模擬，單根構(gòu)件的初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響仍需要通過穩(wěn)定系數(shù)來考慮，桿件的計(jì)算長(zhǎng)度可以取1，并對(duì)單根構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)。另外，不同結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷的敏感度不盡相同，其理論體系尚處于發(fā)展和完善中，不同結(jié)構(gòu)的二階分析結(jié)果是否具有足夠的安全度仍需要謹(jǐn)慎判別。

因此在室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下仍采用一階分析計(jì)算方法，二階分析計(jì)算結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性僅作為一階分析計(jì)算(計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法)的補(bǔ)充計(jì)算采用。

4 結(jié)語

STAAD作為國(guó)際化的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，具有高效靈活的建模環(huán)境、強(qiáng)大的分析計(jì)算能力等諸多優(yōu)勢(shì)。針對(duì)室燃鍋爐鋼結(jié)構(gòu)模型大、工況多、組合復(fù)雜、初次建模和調(diào)整量大，以及分析計(jì)算快速響應(yīng)等需求，STAAD軟件都能有效處理。但在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同室燃鍋爐項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用最合理的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性補(bǔ)充計(jì)算采用，不能盲目追求STAAD軟件二階分析方法的先進(jìn)性而忽略了對(duì)結(jié)構(gòu)適用性的研判，避免因選擇分析方法不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全性不足等問題。