基于ANSYS軟件的火電廠主廠房結(jié)構(gòu)可靠性分析

侍莘莘 （合肥熱電集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

土建施工技術(shù)就是對(duì)土木工程進(jìn)行建造，包括各種建筑物以及設(shè)施的建造，同時(shí)也包括在整個(gè)建筑施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)、管理、勘察等相關(guān)活動(dòng)。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中，土建施工是必不可少的。只有土建技術(shù)才能為各行各業(yè)的發(fā)展提供生存空間和買(mǎi)賣(mài)場(chǎng)所，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展。因此，土建施工技術(shù)對(duì)我國(guó)的發(fā)展以及日常的生活來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，只有更好的發(fā)展土建施工技術(shù)才能對(duì)城市經(jīng)濟(jì)水平的提高以及人民生活質(zhì)量的提高帶來(lái)積極的意義。

目前火電廠主廠房的施工量較大，所需要的技術(shù)管理人員也較多。但是受到人員知識(shí)體系不完備、專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平較低、現(xiàn)場(chǎng)工作量較大等情況的制約，會(huì)做出不正確的判斷進(jìn)而導(dǎo)致主廠房的使用周期縮短甚至引發(fā)安全問(wèn)題。在火電廠主廠房的金屬結(jié)構(gòu)與預(yù)埋鐵件安裝的環(huán)節(jié)中，對(duì)工程不了解就會(huì)導(dǎo)致鋼筋的接頭位置出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成不必要的浪費(fèi)；在建筑中不同位置的鋼筋、混凝土的需求量以及分布位置都存在差異，如果施工人員完全依賴(lài)圖紙進(jìn)行施工，將會(huì)出現(xiàn)預(yù)埋鐵件無(wú)法進(jìn)入結(jié)構(gòu)的問(wèn)題；在鋼結(jié)構(gòu)搭設(shè)環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，沒(méi)有按照實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的變動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際安裝的位置和設(shè)計(jì)圖紙上的位置相差較大，無(wú)法進(jìn)行正常施工，額外進(jìn)行高空作業(yè)又加大了工程量。

1 項(xiàng)目概況

在火力發(fā)電廠內(nèi)布置主要設(shè)備和輔助設(shè)備的廠房稱(chēng)為火力發(fā)電廠的主廠房[1]。本文以某火電廠為例，其中主廠房包括汽機(jī)房、除氧間、煤倉(cāng)間、鍋爐房等建筑物。按功能使用需要包括汽機(jī)房、除氧間、煤倉(cāng)間三個(gè)部分。主廠房為框排架結(jié)構(gòu)，其中AB軸柱跨度35m、BC跨度12m、CD 跨度16m。橫向框排架結(jié)構(gòu)有9 層3 跨，總高58m，屋架梁與柱的連接方式為栓焊混合，主梁與柱的連接方式為鉸接并且部分位置有鋼支撐。主廠房的截面如圖1 所示，部分尺寸如表1 所示。本文主廠房的鋼材采用Q235B，各構(gòu)件均在工廠里加工制作，采用鋼板組合焊接的形式形成構(gòu)件，部分鋼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 主廠房部分尺寸

圖1 主廠房的截面圖

圖2 部分鋼結(jié)構(gòu)

2 仿真模型的建立

2.1 基于Revit軟件建立火電廠主體實(shí)體模型

在火電廠主廠房項(xiàng)目成立之初，利用Revit 軟件對(duì)火電廠主體結(jié)構(gòu)建立三維設(shè)計(jì)模型，將主要的工作分為建筑和結(jié)構(gòu)這兩個(gè)部分。總項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)火電廠主廠房的整體規(guī)劃布局，協(xié)調(diào)不同部門(mén)的人員進(jìn)行施工。金屬結(jié)構(gòu)與預(yù)埋鐵件的安裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)工人按照既定的圖紙進(jìn)行預(yù)埋鐵件錨筋加工作業(yè)卻無(wú)法將預(yù)埋鐵件安裝進(jìn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的工程問(wèn)題。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支撐體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)沒(méi)有將實(shí)際情況考慮在內(nèi)，導(dǎo)致螺栓孔安裝位置與設(shè)計(jì)的位置之間存在較大偏差，需要額外的進(jìn)行高空吹割作業(yè)，不僅造成工程進(jìn)度受阻，同時(shí)還加大了工程的成本投入，可以在工程開(kāi)展之前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)等重要材料進(jìn)行型號(hào)上的交底?？梢詫?duì)重要部分進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)排布的過(guò)程模擬。最后將相關(guān)模型的相關(guān)信息和實(shí)際模型信息進(jìn)行比較，這樣既可以從根本上解決鋼型號(hào)、安裝位置錯(cuò)誤的問(wèn)題，又可以提升預(yù)先設(shè)計(jì)水平。專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員則負(fù)責(zé)整個(gè)工程的設(shè)計(jì)方面，建立各個(gè)部分的施工模型[2]。具體的Revit模型操作流程如圖3所示。

圖3 Revit模型操作流程

2.2 仿真模型的建立

本文利用Revit 軟件與ANSYS 的相關(guān)數(shù)據(jù)接口，將已經(jīng)在Revit中建立好的實(shí)體模型存成x-t 格式導(dǎo)入到ANSYS并保存為.db 文件。為縮短仿真時(shí)間，在保證三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu)良好的效果下，對(duì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算功能。運(yùn)用仿真軟件ANSYS 對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行仿真模擬[5-6]，由于主廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，在不影響仿真結(jié)果可靠性的前提下對(duì)建模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。其中仿真模型中混凝土設(shè)置的單元類(lèi)型為Solid165，梁、柱設(shè)置的單元類(lèi)型為Solid185，其余結(jié)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)置單元類(lèi)型為L(zhǎng)ink180，模型共86019 個(gè)節(jié)點(diǎn)，65438個(gè)單元，具體模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

3 火電廠結(jié)構(gòu)可靠性分析

3.1 火電廠結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

由圖5 所示，主廠房的第一階模態(tài)頻率為0.519Hz，表現(xiàn)為整體沿豎向平動(dòng)；第二階模態(tài)頻率為1.267Hz，表現(xiàn)為下部沿豎向平動(dòng)嚴(yán)重，并出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象；第三階模態(tài)頻率為1.359Hz，主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，并出現(xiàn)橫向的平動(dòng)（如圖6 所示）；從第六階開(kāi)始主廠房的頻率變化非常小，并且只有局部發(fā)生振動(dòng)。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析并且根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主廠房容易發(fā)生整體的扭轉(zhuǎn)作用，這是框排架結(jié)構(gòu)橫向抗側(cè)剛度分布不均勻?qū)е碌?。由于該結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增加縱向抗側(cè)剛度的措施，主廠房低階陣型主要表現(xiàn)為沿著縱向振動(dòng)。

圖5 主廠房模態(tài)振動(dòng)頻率

圖6 第四階模態(tài)振動(dòng)

3.2 地震波作用下火電廠結(jié)構(gòu)的可靠性分析

根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，選取三組地震波進(jìn)行仿真模擬，其中包括人工設(shè)置的加速度（人工波）和實(shí)際地震波（Centro 波與Taft 波），并且采用雙激勵(lì)主方向?yàn)閄 軸和Z 軸，峰值設(shè)置為1/0.85，Y方向系數(shù)設(shè)置為0.65。

由圖7、圖8可得，當(dāng)施加雙激勵(lì)時(shí)，X 和Y 方向上的位移角變化呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，并且Y 方向上的層間位移角明顯大于X 方向的數(shù)值。由X 方向的層間位移角變化曲線(xiàn)可以看出，施加三種地震波的變化曲線(xiàn)大體一致，并且Centro波的位移角變化曲線(xiàn)大于其他兩種，位于錯(cuò)層11.6m 和柱變截面23.52m 處的兩個(gè)位置位移較大，其產(chǎn)生的原因?yàn)樯舷轮孛鏇](méi)有對(duì)稱(chēng)，從而引起剛度變化不平滑。在分別施加人工波、Centro 波與Taft 波的作用下，最大層間位移角分別是5.25×10-4、6.18×10-4和5.34×10-4。Y 方向的層間位移角變化曲線(xiàn)可以看出，層間位移角的最大值為30.2m，其產(chǎn)生的原因?yàn)榇宋恢酶叱鑫菝娌糠诌M(jìn)而產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)。在分別施加人工波、Centro波與Taft波地震波作用下最大位移角分別是1.25×10-3、1.49×10-3和1.2×10-3。根據(jù)抗震規(guī)范層間位移角極限值為4×10-3，X、Y 兩個(gè)方向的仿真結(jié)果都小于極限值，兩個(gè)方向有許多拐點(diǎn)，這說(shuō)明主廠房在豎直方向受到的重力和剛度不均，將出現(xiàn)薄弱區(qū)域，特別注意錯(cuò)層或者截面改變區(qū)域。

圖7 X向地震作用下X方向?qū)娱g位移角

圖8 Y向地震作用下Y方向?qū)娱g位移角

3.3 提高火電廠結(jié)構(gòu)可靠性的建議

設(shè)計(jì)人員也可以通過(guò)參考這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化布局，根據(jù)要求進(jìn)行不斷地完善，使數(shù)據(jù)趨于精準(zhǔn)，也有利于在具體的施工過(guò)程中提高精細(xì)度。關(guān)于主廠房的每項(xiàng)數(shù)據(jù)都在軟件當(dāng)中有所體現(xiàn)，可以直接查詢(xún)整個(gè)項(xiàng)目的材料用量。不是依靠以往的經(jīng)驗(yàn)，而是通過(guò)精確的計(jì)算得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，降低事故發(fā)生的可能性，使數(shù)據(jù)的測(cè)算更加快捷、高效，施工材料中的鋼筋、模板、混凝土等主要材料也會(huì)隨之計(jì)算出來(lái)。無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)施工人員綜合素質(zhì)或者能力的高低，都會(huì)減少因用料不當(dāng)給工程所帶來(lái)的負(fù)面影響。同時(shí)，隨著建筑施工的不斷進(jìn)行，實(shí)際情況會(huì)與原先的設(shè)計(jì)圖紙不相符合，BIM 技術(shù)就會(huì)根據(jù)工程的進(jìn)度安排，實(shí)時(shí)形成工程材料用量表，既增加了數(shù)據(jù)的精細(xì)化，又降低了材料的消耗，較大程度上減少了工程成本。這種精細(xì)化管理提高了整個(gè)項(xiàng)目的工作效率，火電廠主廠房的安全方面也得到了更好的保障。

施工質(zhì)量是整個(gè)建筑工程作業(yè)中最重要的一環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量不僅影響著火電廠主廠房最后的施工成果是否符合要求，還關(guān)系著主廠房能否發(fā)揮出應(yīng)有的社會(huì)效益。在火電廠主廠房的實(shí)際施工過(guò)程中，有很多影響施工的因素，包括施工人員對(duì)工程了解不透徹、管理人員監(jiān)察不徹底等。因?yàn)榛痣姀S主廠房對(duì)人們的生活起到了重要的作用，所以需要采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高工程質(zhì)量。利用BIM 技術(shù)可以更好的達(dá)到施工效果，在施工過(guò)程中采用立體的三維建模，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)施工人員還是作業(yè)人員都對(duì)整個(gè)主廠房的施工有著清晰的了解，已經(jīng)較為全面的掌握了設(shè)計(jì)圖紙以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在施工的過(guò)程中也可以做到心中有數(shù)，有效地提高工程質(zhì)量。

4 結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)火電廠的建設(shè)日益繁榮，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都是不可估量的，在人們?nèi)粘Ｉ钪兴l(fā)揮的作用更是無(wú)可替代的。但同時(shí)火電廠主廠房的建設(shè)也是一個(gè)非常龐大的工程，必須提升預(yù)先設(shè)計(jì)水平、增加施工過(guò)程的精細(xì)度、提高工程質(zhì)量。通過(guò)對(duì)火電廠主廠房土建施工技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，火電廠主廠房對(duì)于火電廠整體運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，直接影響著火電廠的工作效率。運(yùn)用軟件對(duì)主廠房進(jìn)行可靠性的仿真，討論了根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并且根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主廠房容易發(fā)生整體的扭轉(zhuǎn)作用，這是框排架結(jié)構(gòu)橫向抗側(cè)剛度分布不均勻的特征導(dǎo)致的。由于該結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增加縱向抗側(cè)剛度的措施，主廠房低階陣型主要表現(xiàn)為沿著縱向振動(dòng)。