低温冷却器钢支架设计及承载性能分析

刘巍

摘要：根据华能金陵电厂除尘设备本体及刚性钢支架的受力特点，利用Staad Pro建立有限元模型，对结构进行静力分析、结构设计、屈曲分析和非线性分析。计算结构的变形、内力、稳定应力比以及结构的屈曲模态和特征值屈曲荷载，给出有缺陷结构的荷载-位移曲线及极限承载力。结果表明：利用Staad Pro软件能够快速地进行钢结构的设计和分析，比较准确地把握结构真实受力性能，表明刚性钢支架是一种可靠、稳定的结构承载体系；在工期较短时应用广泛。

Abstract： According to the mechanical characteristics of the dust removal equipment and the rigid steel support， the finite element model was built by Staad Pro to do static analysis， structural design， buckling analysis and nonlinear analysis of the structure. The deformation， internal force， stable stress ratio of the structure， and the buckling mode and eigenvalue buckling load of the structure were calculated， and the load-displacement curve and ultimate bearing capacity of the defective structure was given. The results show that Staad Pro software can realize quick design and analysis of steel structure， so that we can accurately grasp the real mechanical properties of the structure， indicating that the rigid steel frame is a stable and reliable structure bearing system. It is widely used in projects with short construction time.

关键词：低温冷却器；刚性钢支架；Staad Pro；结构设计；极限承载力

Key words： cryogenic coolers；rigid steel frame；Staad Pro；structural design；ultimate bearing capacity

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0134-03

0 引言

本文工程为华能金陵电厂2×1030MW机组WGGH配套改造工程，WGGH设备分为烟气冷却器和再加热器两部分。在我国火力发电工程中，烟气反应设备结构常用支撑体系主要有3种：混凝土框架结构、刚性钢支架结构、柔性鋼支架结构[1]。其中，柔性钢支架结构由支撑和钢柱构成，无梁连接，整体性较差，不宜适用于较大荷载支撑体系；框架混凝土结构由混凝土梁、柱构成，混凝土楼板设置较少，故该结构体系抗侧刚度小，混凝土梁常作为压弯构件，且施工养护周期长，经济性较差；刚性钢支架结构是由钢梁、钢柱、交叉撑或人字撑组成的刚性结构体系，侧向刚性大，结构整体性强，安装方便，耗钢量少，适用于各种高度的支架，是目前最常用的结构体系[2]。

本文通过实际工程案例对刚性钢支架利用Staad Pro有限元软件进行静力分析、结构设计、屈曲分析和非线性分析，在为计算类似结构的刚性钢支架提供参考。

1 工程概况

本工程本体为WGGH冷却器钢支架，原有钢支架为除尘器进口烟道支架，现将该段烟道拆除并改造为冷却器支撑钢架。改造后的冷却器支架采用刚性钢支架支撑体系，除尘器柱脚位置设置为铰接柱脚，布置如图1所示。

2 结构模型建立

2.1 模型简介

Staad Pro建立计算模型如图2所示，支架刚性层分为2层，层高分别为7.700m和17.520m，钢梁与钢柱连接节点、支撑与梁柱节点均采用铰接节点计算，钢柱柱脚与混凝土基础铰接连接，平面支撑及竖向斜撑采用桁架单元，刚性层中钢格栅与钢梁点焊搭接，对整体结构不提供侧向刚度，在计算模型中，其荷载包含在柱顶竖向恒荷载中。本工程中，优先采用交叉支撑，并可按拉杆设计，较为经济[2]。

钢柱、钢梁采用Q345B钢，平面支撑、竖向斜撑及节点板材质为Q235B。钢柱截面为H550×450×16×18，梁截面主要采用H型钢窄翼缘截面，斜撑采用圆管及H型钢截面支撑。梁、支撑材料及截面如表1。

2.2 荷载分布情况

钢支架承受的荷载可分为恒荷载、活荷载、水平风荷载和地震荷载四部分，恒荷载主要为烟气冷却器设备和连接烟道的重力荷载，由搭设在钢架上的荷载点传递至钢梁。水平荷载分为风荷载和地震荷载，钢支架结构体系延性好，刚性层所受水平荷载可通过平面支撑传递至梁柱节点，再通过竖向斜撑转化为铰接柱脚拉压力和柱脚与混凝土基础顶面处的水平反力。

垂直荷载中恒载和活载可直接按柱顶处的节点荷载输入，温度膨胀和收缩引起的摩擦力远小于外力荷载，建模时可不考虑；由于水平荷载引起的反应器本体结构倾覆荷载影响相对较小，计算时可以忽略；水平荷载主要是由除尘器设备引起的风荷载和地震作用组成，风荷载根据荷载规范计算[3]。

地震作用通过地震反应谱法进行计算。结构抗震设防烈度为7度，地震加速度0.10g，地面粗糙度B类，结构阻尼比根据《建筑结构抗震规范》[4]（GB 50011-2001）8.2.2条：钢结构在多遇地震下的阻尼比，对不超过12层的钢结构可采用0.035，对超过12层的钢结构可采用0.02；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05）取值0.035，场地特征周期0.35s。地震影响系数曲线见图3。

3 静力分析

静力分析主要分析结构在荷载组合作用下结构构件的强度、位移和稳定性。钢支撑体系结构稳定应力远大于强度应力，故主要验算支撑、钢梁及钢柱的稳定性验算，各构件验算情况见表2。

模型计算表明，结构X向最大位移为35.63mm，结构Y向最大位移为26.59mm。钢支撑结构内力以轴力为主，结构的最大强度应力为250MPa，结构的变形和应力满足设计要求。

计算结果表明：结构立柱主要由稳定控制，立柱的稳定应力比强度应力更大，斜撑为轴向受力构件，同样考虑稳定应力验算，梁、柱、支撑构件均为长细比控制，设计满足要求，结构安全可靠。

4 非线性分析

非线性分析能够更加真实模拟结构在荷载作用下的响应情况，其核心思想是将荷载分解为一系列的若干增量荷载，依此对结构施加增量荷载。针对每个增量荷载对结构产生的影响，不断调整结构刚度矩阵，依此累计，反应结构在加载全过程的非线性变化情况，可以得到结构极限承载值[5]。

理论模型中，影响结构承载力的因素非常多，有结构几何布置、残余应力、材料缺陷等。本工程中，仅使用构件初始弯曲模拟缺陷影响（1/500）。缺陷形状为屈曲分析的一阶失稳模态。极限承载力与设计荷载之比，即为结构的设计安全系数。1/500缺陷非线性屈曲分析的荷载-Y向位移曲线如图4所示。

图4中可以得出：结构极限承载力的荷载系数为拐点处结构极限承载力的荷载系数为4.4，结构的Y向最大位移为30mm，说明结构在1/500缺陷下结构的极限承载力与设计荷载之比为4.4，结构设计安全可靠。

5 结论

钢支架支撑结构体系是一种快速安装制造、承载力较大，抗震性能好的结构体系。同时，钢材表面除锈、防腐技术的提升，使得钢支架支撑结构体系广泛应用于工业设备支撑结构领域，能够满足工程项目安全性、合理性和经济性的要求。

类似于刚性钢支架以构件为主的结构，不能仅进行静力分析，还必须结合相关规范进行结构的设计，保证结构的构件稳定、长细比、位移挠度等满足设计要求，同时还要通过屈曲分析，找出结构的薄弱点。由于临界荷载系数一般取1.3～1.6，为安全考虑，建议临界荷载系数要大于2。该类型结构能够同时满足工期及结构承载力等方面要求。

参考文献：

[1]赖毅强.脱硫除尘岛钢支架结构形式分析[J].钢结构，2012， 27（12）：45-49.

[2]李宝熺.除尘设备刚性钢支架设计及承载性能分析[J].钢结构，2013，7：013.

[3]GB 50009-2012，建筑結构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]戴海金.电除尘器钢支架设计[J].机电技术，2008，31（2）： 48-49.