某空冷凝汽器钢结构平台结构整体有限元分析

彭 伟 曹 东

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

1 工程背景

本工程为某火力发电厂空气冷凝器支承结构，设计年限50年，安全等级二级。主体结构采用正交钢桁架。沿横向共有两个机组，两个机组之间留有1.02 m的变形缝，承重结构也分为完全相同的两部分，本计算书只针对其中一个进行分析验算。每个机组共分8部分，每部分沿纵向分布7个模块，共56个模块。每个模块布置10片管束，管束由A字形刚架支承，A字形刚架由下部正交钢桁架支承；每个模块各设一台风机、电机、减速箱、风筒以及护网，这些装置安装在主桁架形成的区格内。正交桁架坐落在下部高约40 m的混凝土柱上。总体结构模型如图1所示。

主排气管一端支承在地面，一端支承在主桁架上。工程所在地海拔1 557 m～1 580 m。模块平面尺寸：11.310 m×11.730 m，混凝土柱截面采用圆环截面(D外径×壁厚)：D4 000×450，混凝土柱顶标高：36.950 m，柱基标高：-4.000 m，风机盖板标高：45.000 m，挡风墙顶标高：58.155 m，蒸汽分配管轴线标高：56.525 m。

2 材料性质

空冷凝汽器钢结构平台钢材采用Q345B和Q235B，管束采用20号钢，混凝土柱采用C45。

3 荷载工况

ANSYS中的恒荷载、活荷载和风荷载从3D3S软件中直接导入，地震作用通过APDL命令流的方式写入ANSYS软件中。

3.1 永久荷载

主要包括:管束(作用于敷设在A形架上管道上)、挡风墙面板自重、蒸汽分配管(为了考虑蒸汽分配管对结构刚度的贡献，模型中将其作为结构构件建入，取最小规格的截面，其他规格的重量按荷载输入)、风机、减速箱、电机、凝结水收集联箱、风筒及风机护网、蒸汽隔离阀、铰链式膨胀节、风机盖板、移动冲洗装置、电动葫芦与环链手拉葫芦、杂项设备。

3.2 可变荷载

主要包括:风机轴向推力、设备维护平台、设备就地检修平台、分配联箱的上部平台、风机盖板上的灰尘等、结水管道和抽真空管道各支点荷载、吊架。

3.3 风荷载

工程所在地50年一遇，10 m高10 min平均最大设计风速为27.7 m/s，相应风压为0.48 kN/m2。地面粗糙度A类，风荷载随高度、阵风等因素所产生的变化以及挡风墙和混凝土柱的风荷载体型系数按《建筑结构荷载规范》的规定来考虑。

3.4 雪荷载

50年一遇最大积雪深度11 cm，相应基本雪压0.20 kN/m2，屋面积雪分布系数按照《建筑结构荷载规范》规定考虑。

3.5 温度作用

温度作用考虑±33 ℃的温差。

3.6 地震作用

抗震设防类别：乙类，地震作用不提高，抗震措施提高1度。抗震设防烈度8度，50年超越概率10%的地面地震动峰值加速度为0.208g，建筑场地类别Ⅰ类,设计特征周期0.35 s。

3.7 支座差异沉降作用

设计中考虑两个支座沉降工况，沉降量假定为10 mm。如果实际沉降超过10 mm，将考虑利用其他方式消除过大的沉降差，从而避免产生过高的应力。

4 平台的整体稳定分析

4.1 计算分析模型

在静力工况分析的基础上对火力发电厂空气冷凝器支承平台进行了整体模型的稳定分析。静力分析时，采用的工况组合为恒载、活载和风载，组合系数均为1.0，考虑了结构体系的几何和材料两种非线性属性(见图1)。

4.2 稳定分析方法

4.2.1特征值稳定分析

特征值稳定分析为用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，即弹性屈曲分析方法。此种方法方便快捷，可以给出理想结构的弹性临界荷载值。但是由于其忽略了初始缺陷和非线性特性，使得特征值稳定分析经常得出非保守结果，通常仅为实际结构的分析提供参考，具体结果如表1所示。

表1 特征值分析稳定系数

4.2.2非线性稳定分析

在对支承平台进行整体模型的特征值及N-R法稳定分析结果的基础上采用弧长法进行了整体模型的非线性稳定分析，比较了两种不同组合工况下的结构的稳定极限承载力，并由此得到了两种组合工况下的荷载—位移曲线。

取柱头最大位移节点206和正交桁架的最大位移节点319进行非线性稳定的全过程分析，得到其荷载—位移曲线见图2和图3。

从图2和图3中可以看出考虑几何和材料非线性特性时，结构的非线性稳定承载力较特征值稳定承载力有较大的降低，其荷载倍数约是设计荷载的4.8倍，满足规范要求。当荷载约为4倍设计荷载时，结构出现刚度退化。在这之前，结构整体刚度良好，位移响应基本表现为线性行为。

5 结语

使用大型通用有限元软件ANSYS对空气冷凝器支承结构进行了三维有限元模型建模，进行了恒、活、风等荷载作用下的结构受力分析，并按照中国规范对整体结构在地震作用下的受力情况进行了反应谱分析。并采用特征值稳定方法和非线性稳定分析方法对结构进行了稳定性分析。对于风机的振动频率与结构的影响通过进行整体谐响应分析来考察。有限元分析结果表明：

1)对比结构表明ANSYS和3D3S的分析结果是吻合的，可信的；

2)稳定分析结果表明结构的稳定性很好，二阶效应对结构的影响较小，结构具有足够的稳定承载能力；

3)整体结构的谐分析结果表明由于风机振动引起的结构的位移响应很小，位移响应衰减很快。分析结果还表明风机部分运转和全部运转产生的振动对结构的影响差别很小。