锅炉钢结构的优化设计分析.pdf

6 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 锅炉钢结构的优化设计分析 杭州锅炉集团股份有限公司 韩仲文 廖井雄 摘要 以煤粉炉 为代表 的锅 炉钢 架一般 以承受 竖向荷 载为主 ， 为 了提 高其 安全性及经济性 ， 确保本体部件的平稳有效运行 ， 需要在设计过程中对钢架的受力 形 式有充分的认识 ， 本 文从钢 架的整体性 出发 ， 为实现钢 架的等 强设计对钢 架的强 度和稳 定性作 了分析和探讨。 关键词 煤粉炉钢架 整体性 等应力原则 等强设计 前言 以煤粉炉钢架 为代表 的锅炉钢架是典 型的框架结构， 从所受荷载来看， 锅筒、 水冷 壁、 过热器等本体部件产 生的竖向荷载通过 悬挂的方式作用在顶部梁格上， 然后通过顶 部梁 格传 至柱子 ；雨棚产生 的荷载也通过 顶部梁格传到柱子 ；空预器， 省煤器及护板 等产 生的荷载则 以分布力 的形式作用 于尾 部烟道支撑梁上， 通过梁最终传到柱子 ； 此 外 ， 还有平台扶梯等部件产生的荷载及附加 荷载 也可简化 为集 中力直接 作用 在不 同高 度 上的柱子轴线上。 对于此类结构 ， 柱子截 面的选用在钢架 设计 中将决定着 整个钢架 的安全性及经济性。 目前， 常用 的钢架分为单排柱和双排柱 二种， 对大型锅炉也 可采用 附加柱 ， 从受力 状况来看， 一般 以内排 柱为主要承 载构件， 外排 柱作为附加钢架所承受的荷载则较小。 因此， 只要选定 了内排柱 ， 外排柱就可根据 梁及平台扶梯等其他部件 的连接， 并结合实 际情况选取 即可， 一般能确保其所受的荷载 是安全 的。 设计人员在设计锅炉钢架 时， 首先要进 行负荷统计 ， 并选用合适的计算软件进行计 算， 以验证结构是否安全 。 由于计算软件大 都不能演示具体的计算过程 ， 设计人员根据 计算结果不能获得一个具体直观 的认 识 ； 同时， 当设计人员在使用软件进行建模计算 时， 由于个人使用软件 的方式 以及对软件 的 理解不尽相同， 使设计结果与实际结构存在 差异 。 为了改善这一状况， 本文针对 以煤粉炉 钢架为代表的单排柱锅炉钢架 ， 在承受竖向 荷载、 风荷 载及地 震作用 的情况下， 对风荷 载 ， 地震荷载作相应简化后验算钢架底部所 受 的弯矩及 应力。 并在确保安全 的前提下 ， 通过合理选取钢架构件 的截面， 分析钢架在 荷载作用 下的强度 、 稳定性， 以提高结 构设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 7 计的安全性及经济性 。 1 ．计算原理 本文的计算基于 以下两个原则 1 等 应 力原则 ， 即在 竖 向荷 载 作用 下 ， 各柱子底部应力相等。 对于 同一个钢架， 各 柱子一般选用 同种 材料， 并且 高度相近， 当柱子应力相等 时， 根据应 力应 变的关系 ， 各柱在竖 向荷载作 用下 的应变和竖 向位 移 也基本相等 。 为此， 本 文将 首先用结构计 算 软件对结构进行初步计算， 得到各柱底部轴 力。 根据 柱底 轴 向反力 的大 小， 选择柱子截 面， 使得 各柱所受轴力 与截 面积 比值相等 ， 即柱子底部的应力相等。 这样不仅可 以使材 料强度得到充分利用 ；同时， 由于 目前锅炉 大都采用 吊挂式， 当各柱 的轴 向变形保持一 至时， 也有利于锅炉本体 的平稳运行。 需要指 出的是 ， 在上述说 明中， 假定竖 向荷载全部作用在柱子顶部。 但在实 际结构 中， 荷载在柱子上作 用 的位置有所不 同， 各 柱 的受力情 况也有所不 同。 例如， 对 于空预 器， 省煤器所在处 的柱 子， 其荷载不 是作用 在柱子顶部 ， 这与假设的将荷载全部作用在 柱子顶部有所区别， 若按上述方法选择柱子 截面 则偏于安全 ；然而考虑到这些 柱子 的 受力状况比较复杂， 这些柱子 的截面有所偏 大也 属合理。 综合考 虑， 本文仍采用 上述假 定的方法进行设计 。 2 结构分析时只考虑整体性。 在对钢 架进行分析 时， 认为结构在梁、 垂直支撑、 水 平支撑 的作用下构成一个整体 。 同时 ， 假 定 顶部梁格 为在平面 内的刚度无限大， 在荷载 作用下， 顶部梁格在 自身平面 内只发生整体 位移 ， 使得整体钢架 的变形具有一致 性， 这 种 一致性使得总体结构在变 形前后 能够 保 持其基本 形状。 据此 ， 本文将其等效 为一个 格构式竖 向受力构件， 下端 固定 ， 上端 自由， 梁及支撑相当于格构式柱子的缀条。 ． 2 ．负荷统计 1 统计永久荷载 。 a ． 锅炉本体各部件相 关设备 的结构 自 重 b ． 设计院作用在钢架上管道类荷载 2 可变荷载。 a ． 各平台活荷载 b ． 雪荷载 3 ． 风荷载的计算 对于 锅炉钢 架 来说， 风荷载 不仅 作用 在钢架上， 也作用在锅炉本体部件或紧身封 闭墙皮上， 因此风荷载的作用面积应计算 由 整个框架 围成 的面积 。 把钢架看成一个整体 后 ， 可将风荷载等效为一个集中力作用在钢 架高度方 向上的中点上。 根据 建筑结构荷 载规范G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ， 风荷载标准值的计 算公式为 x 』 3 z s z o 1 其中 口 为风振系数 ， 。 为体型系数， 为风压高度变化系数， 。 为基本风 压。j J 对于框架结构， 迎风面取 0 ． 8 ， 背风 面取 一 0 ． 5 ， 其余参数根据相关规范计算得到。 4 ． 地震作用计算 结构总水平地震作用标准值 FE K a J G。 Q 一相应于结构 自振周期的水平地震 影 响 系 数， 按 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0图 5 ． 1 ． 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 影响系数， 按 GB 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0图 5 ． 1 ． 5确定。 G q _ _ 结构荷载、 总重力荷载代表值。 5 ． 结构 自振周期的确定 能量法 图 1悬臂梁端部有集中质量 图 2假定的变形曲线 如图所示的悬臂梁 中， 假定梁的质量为 m ， 梁 的长度为 L ， 梁 自由端有一集中质量 m， 则在梁端力 F 作用下， 自由端产生挠度 Y ， 根据材料力学有以下挠 曲线方程 u 号 一 假定 Y随时间 t 以简谐波的形式变化 ， 即 y C s i n 什Q 将 Y代入后有 u c s i n a 3 梁的势能应等于梁端力F 从0 逐渐增加 到终值所做的功 ，其最大值为 争c c 其 中 C 专 ， 另 一 方 面 ， 假 定 梁 的 质 量 以离散的形式沿梁 的长度上均匀分布， 即 单位长度上的质量为 则可按下式得 出 梁 的动能 Q ， [} u 2d x 5 总 动能 的最大 值 为 Q a x _ J0m b L d x 圭 c 6 对上式积分并根据最大动能与最大势 能相等，可得如下等式 c 1 ∞O m mb 7 由此 可得梁 的固有频 率 1 8 此式中取m 0 可得到 一8 ，周期为 T 1 ． 7 61 1 4 0 E E1 9 J I 根据本文假定 ，锅炉钢架作为整体， 可看成下端 固定的悬梁 ，长度即为框架的 高度H，质量可取整个钢架的的自重及恒荷 载之和 。根据 钢架在二个水平方 向的等效 惯性矩 ，可得到结构的二个 白振周期 ，取 其中的较大者作为钢架的一阶 自振周期 。 有 了 自振周期后即可结合其它参数计算结 构的地震影响系数及水平地震力。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 9 6 ． 稳定- 校核 由稳定性计算原理可知 ， 结构稳定性计 算主要考虑结构稳定系数 的计算 ， 根据前面 的假 定， 整个钢架 相当于格构式受压 构件， 由于一般 的锅炉钢架在 二个立 面方 向上均 有垂直支撑 ， 对此类结构可按照 钢结构设 计规 范G B5 0 0 1 7 2 0 0 3中对于 四肢组合构 件 ， 其截面类 型为 b类 ， 当缀件 为缀条 时给 出的长细 比的计算公式 入o x 入o y √ 枷 √ 入 y2 4 o 会 10 1 1 其 中 x ，x 为 整个结构在 X ，Y轴 二 个方向上的长细 比 ； A 为所有柱子的截面积 之和 ； A ，A， 为在 X ，Y轴二个方 向上各 缀条的毛截面积之和 。 取 入o ma x 入。 ， 叽 ，可得正则长细 比 。 ．I ， 根据相对长 。l L 细 比即可按 以下公式计算结构的稳定系数。 0 ．9 6 5 ∞ 一 ／ 2 0 2 1 2 7 ． 计算实例 根据上述计算说 明， 编制 了 E XC E L计 算文档 ， 以便在实际工程中得到验证 ， 本文 档适用于 内排柱沿锅炉中心线方 向上只有 四排 柱 的钢 架 。 设计人员在使用此表时， 需要先输入表 1 所示参数， 其中的 V Az为钢架垂直支拉 条的截面积， 如前所述， 该拉条相当于格构 式柱子的斜缀条， 在计算钢架的稳定性时需 要给予考虑。 其余参数如表 1 及图 3所示。 输入这些参数 以后， 需要先计算 出恒荷载作 用下 的各排柱的柱底反力 ， 并将此荷载输入 到计算文档中。 ， { l} 炉 中 线 ， 、 V u 1 v - 2 v _ j 图 3截面参数 文 档将根 据 输入 的荷载 ， 计算 出各排 柱 的相对荷载 ， 据此可对各排柱子截面参数 进行调整， 使得文档 中的各排柱的截面相对 值与相对荷载值尽量接近 。 在调整截面参数 时， 应 当首先保证文档 中的柱底最大应力在 安全范 围内， 在此基础上可减少柱子截面 以 提高设计 的经济性 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 表 1参数输入 参数名称 大小 单位 备注 钢架 高度 一H 3 0 ． 0 0 0 m 圆周率， V P I 3 ． 1 4 1 5 9 弹性模量， V lMo d 2 1 0 0 0 0 ． 0 N ／ mmA 2 屈服强度， V _ f 2 3 5 ． 0 0 0 N／ mm 2 地震影响系数， V _a 0 ． 0 7 0 根据 相关标准计算 风荷载标准值， ．一wi n d 0 ． 7 0 0 k N ／ m 2 根据相关标准计算 A， B 轴距离 一 Y 80 80 ． 00 0 mm 1 , 2 轴距离， V _ Xl 68 0 0． 00 0 n1 m 2 , 3 轴距离， V _ X2 70 0 0． 00 0 mm 3 , 4 轴距离， V X3 4 0 0 0 ． 0 0 0 n 1 m 假定 的拉条截面积 一 A Z 2 4 ． 0 0 0 c mA 2 方管 1 0 0 “ 1 0 0 “ 6 文档首先计算等效截面 中心及二个水 平方 向的惯性矩， 然后计算水平地震及二个 方向上的风荷载对柱底的弯矩， 再根据弯矩 及竖 向荷载计算等效截面最大应力 ， 得 出最 大应力， 并判断其是否安全 ， 此为强度校核 ； 对于稳定性计算 ， 文档先计算 出等效截 面 的回转 半径及长细 比， 然后根据最大长细 比得 出正则长 细 比， 并利 用本 文式 1 2 计 算 出柱子 的稳定系数， 最后计算 出柱子的应 力。 计算结果如表 2所示。 表 2计算结果 参数名称 大小 单位 备注 竖 向荷载引起 的柱底应 力， V _ S g 1 5 5 ．9 9 0 N ／ mm 2 水平地震引起的x向柱底应力， V _ S e x 1 4 ． 5 l 1 N／ mm 2 风荷载 引起的X向柱底应力， V _S wx 6 ． 9 2 9 N／ mm 2 x方向柱底最大应力， V S x 1 7 0 ． 5 0 1 N ／ mm 2 安全 X方 向水平地震引起 的柱底应 力， V _ S e y 1 7- 3 7 5 N／ ram 2 Y向风荷载 引起 的柱底应力， V _ S wy 1 8 ． 2 7 5 N／ mm 2 Y向柱底最大应力，V s y 1 7 4 ．2 6 5 N ／ mm 2 安全 回转半径， V _ Rx 3- 31 1 m 回转半径， V j 1 ． 8 0 7 m 长细 比， v _ L u mX 9 ． 0 6 0 长细 比， V _ Lu mY l 6 ． 60 4 长细比 一 Lu m l 1 41 0． 3 47 最大长细比， v _ Ma x L u m 4 1 ． 0 6 2 正则长细 比， V _ Ba r L 0． 4l 8 稳定系数 一 PH1 0． 9 03 计算应力， v s s 1 7 2 ． 7 4 8 N ／ mm 2 安全 下转第 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 5 ． 1 5 有所下 降， 说 明 白振频率随重量 的增加而降 低 ； 2 模 型 4和模 型 5与整 体模型 的重 量相同， 区别在于模型 4把烟 囱部分 结构舍 去， 将 重量直接加 在消音器上 ， 模型 5把烟 囱部分和消音器结构舍去， 将重量直接加在 平板上 ， 可 以看 出， 两 者与整体模 型的一阶 频率较 为接近， 说 明整体模型 的 自振频率受 钢架 自振频率的影响较大。 4 ．结论 通过对旁路烟囱各种模型 的对比分析， 可看 出钢 架的 自振频率 小于烟 囱本体 的 自 振频 率， 且对 旁路烟 囱的 自振 影响很大。 得 出以下结论 1 在燃机 余热锅炉 的旁路烟 囱设计 计算 中， 只对烟 囱本 身进 行 自振频率计算 ， 并不能准确地反映出旁路烟 囱的振动形态， 需要同时考虑钢架削弱影响。 2 在对旁路烟 囱进行 自振频 率计算 时， 烟 囱筒体相对钢 架刚度较大， 系 统基频 主要取 决于钢架 。 可 以对模型进行简 化， 只 建立钢架模型， 将烟 囱的重量施加在钢架平 台上， 从而简化模型， 节省计算时间和成本。 参考文献 【 1 ] ． GB 5 0 0 5 1 --2 0 1 3 烟 囱设计规 范 [ S ] ． 【 2 ] ． 王建强 ， 蔡震旦 ． 某钢烟 囱的风振 分析 ． 特种结构 ． 2 0 0 6 3 上接第1 O 页 8 ． 结 论 本文针对单排柱 的锅炉钢架 从整体上 分析了钢架 的强度及稳定性， 通过 以上分析 可得 出以下结论 1 计算表 明， 实际工程 中的锅炉钢架 从总体上是 比较安全 的， 这给 了设计人员 比 较大的优化空间。 通过合理选取构件 的截面 参数， 实现 等强设计 ， 防止部分构件提 前破 坏， 从而提高整个钢架的安全性及经济性 。 2 文章 将整个钢架等效 为一种 格构 式受压构件 ， 在此基础 上对钢架上的地震作 用及风荷载作 了适 当简化， 并对等效受压构 件给出了 自振周期的近似公式 ， 以得 出与实 际结构更为接近的 白振周期。 3 从整体稳定性上看， 一般的锅炉钢 架其 高度 在 4 0 m 以下， 根据本 文 的计算可 知， 结构的稳定系数接近 1； 此外， 一般的钢 架还有水平支撑 ， 有 的还有 副钢 架， 这都将 提高结 构的整体稳定性 。 因此， 在一般 的钢 架设计中， 结构的整体稳定性可不作过多考 虑 。 参考文献 [ 1 】GB 5 0 0 1 7钢结构设计规范 【 2 ] 陈绍蕃 ． 钢结构稳定设计指南 ． 中 国建筑工业出版社 ． 2 0 0 4 [ 3 】魏 明钟 ． 钢结构 ． 武汉理工大学出 版社 ． 2 0 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m