伊朗Arak电站锅炉构架动力分析

伊朗Arak电站锅炉构架动力分析

　锅炉构架抗震设计有两类基本方法：即等效静力方法（基底剪力法）和动力分析方法。虽然在目前阶段，由于诸多原因，传统的等效静力方法仍是工程设计中实际采用的抗震设计方法。但近年来随着动力分析技术的发展以及人们对地展问题的认识的加深，人们已经逐渐认识到这一方法的局限性以及动力分析在抗震设计中不可替代的作用。目前在用户的要求中往往包括动力分析方面的内容，如在伊朗Arak325MW工程中业主即明确要求进行动力分析。同时为适应这种情况各国规范也都逐渐补充了动力分析方面的内容，如我国的建筑抗震设计规范GB11 -89，GB50191-93.在某些情况下规范也明确要求采用动力分析方法进行抗震设计，如规范GB11 -89对篼层建筑结构就要求进行时程分析。总之，锅炉构架动力分析已成为锅炉构架抗震设计中不可回避的问题。

　　实际上对于锅炉构架动力分析问铨国内外已进行过大置研究，比如我国国家地震局工程力学研究所等单位在八十年代中期曾用SAP5程序对运行中的邹县300MW，石横300MW，平圩600MW和陡河200MW等四台机组锅炉构架进行过动力分析，并完成了一些实测工作。只不过从实际工程应用来看，目前我国锅炉行业在锅炉构架抗震设计中仍采用基底剪力法，国外同行在锅炉构架抗震设计中大多也采用等效静力方法。

　　动力分析方法与等效静力方法比较，有些资料认为等效静力方法的计算结果要大于动力分析方法的计算结果，因而等效静力分析方法是偏于安全的方法。但根据我们采用动力分析方法对伊朗Arak电站锅炉构架进行分析的结果以及其它许多资料证实不能这样看待这一问铨。在许多情况下采用动力分析方法计算出的地震响应要比采用等效静力方法计算出的地震响应大得多，而即便在两者总体响应水平相当的情况下，在许多构件的响应上，两者也有不可忽略的差别。

　　2动力分析力学横型锅炉构架抗震设计是一个复杂的问题，由于悬吊炉体的存在，锅炉构架地展反应较―般建筑物更为复杂。如何建立适当的力学模型就成为锅炉构架抗震设计的重要问题。由于悬吊炉体的复杂性，我们要对锅炉构架进行动力分析必须对结构进行适当简化，在八十年代末期我国国家地展局工程力学所等单位在对几台机组锅炉构架进行动力分析时就采取了许多简化。我们在对伊朗Arak电站锅炉构架进行动力分析时同样对结构进行了适当简化，有关力学模型的建立及结构的简化了国家地震局工程力学所等单位的方法。

　　2.1构架本体及构架上荷载（重力荷载）锅炉构架本体是典型的梁系结构。在SAP6及NASTRAN动力分析中，锅炉构架本体均划分为梁单元或杆单元，输人梁截面参数及材料密度；由程序组集总刚度阵及总质量阵（质量均分到梁单元两端）。

　　通常构架承受有多种荷载，如静载、风载及其它可变荷载。这里所说构架上荷载是指由质倨引起的作用于构架本体上的重力荷载（恒载），但其中排除悬吊炉体所引起的荷载。在地震状况下，质量会产生地震力，那么相应于每一构架上的载荷都会引起地震力，即每一载荷相当于一集中质量。在分析计算中，我们通过输人集中质童来考虑这种影响。

　　在Arak电站锅炉构架动力分析中，由于构架上作用的其它载荷相对于构架本体及炉体载荷较小，仅考虑了顶板（传递）质量及烟道、预热器的质量：'顶板（传递）质量均匀分布在各主柱顶部，共计6个点；烟道、预热器质量均匀分布到相应位置的18个节点上。

　　锅炉构架与炉体在水平方向由制晃装置相联系。从制晃装置结构特征来看，制晃装置仅限于限制炉体横向移动，而对炉体其它方向'运动无限制。在确定锅炉构架动力分析棋型时，将制晃装置视作一梁单元，梁单元具有抗剪刚度（Ar‘）及抗弯刚度（Wz’），单元左端固结，右端铰结；梁其它截面参数（抗剪刚度及抗弯刚度）取很小的值。制晃装置端部为45号工宇钢，截面几何参数据此选取。

　　2.3吊杆：吊杆简化及其截面参数的确定：在悬吊式锅炉结构中由于实际的吊杆数目很多，不可能将每根吊杆加入结构动力分析模型中，必须对此进行简化。这种简化应根据实际的吊杆布置、吊杆规格、材料等进行简化。模型应使得简化后的吊杆所传递到顶板上的地震力与实际情况相同，而简化吊杆对顶板的作用力与简化前吊杆对顶板作用力静力等效。

　　在实际模型建立时，我们将这些吊杆简化为四根吊杆，参阅炉体计算模型简图。

　　从单根吊杆来看吊杆只承受拉力，但从吊杆整体作用来看，则可承受其它方向载荷。参照<电站锅炉构架抗震设计研究>，我们可依据实际吊杆布置情况确定如下参数：截面积（实际吊杆总面积）其中：体重量，C―为吊杆长度，面积。

　　我们由此可确定简化吊杆的截面参数：抗拉面积及抗剪面积将吊杆视作悬臂杆，端点受一力作用，由材料力学公式>及材料力学公式棋童，b =nA为第排吊杆数、A为吊杆间距，其它同上。

　　由于炉体通过制晃装置与构架相连，通过吊杆与顶板相连，相比较炉体刚度较大。在建立动力分析模型时，我们将炉体简化为刚性框架，通过四根吊杆与顶板相连，通过各层制晃单元与构架相连，如所示，每层制晃装置则如所示。

　　各层炉体质量简化到每层前后左右四个节点上。

　　炉体单元的各截面参数（抗剪面积及抗弯惯性矩）均很大，但材料密度极小，相当于无质量的刚体。炉体质童根据炉体在空间的质量分布简化至各节点上。

　　2.5大峨大板梁大板梁本身刚度很大，再加上顶板由众多格条联系在一起，我们可将大板梁及整个顶板视作刚性。在实际建立动力分析模型时，我们根据由炉体及吊杆位置需要，将顶板简化为几根刚性梁单元，如所示。

　　3.地震荷栽形式虽然动力分析有多种类型，但从结构抗展设计角度来看，地震载荷只有两种基本形式：即基础运动响应和响应谱分析。我们在伊朗Aiak电站锅炉构架抗展设计中，既进行了基础运动分析，也进行了响应谱分析。在Arak电站锅炉构架初步设计阶段我们依据用户要求用SAP6程序对锅炉构架进行了时程分析（基础运动分析），所选用的基础加速度曲线是根据伊朗建筑抗震设计标准中所提供的两条基础加速度曲线（分别相对于Tabas地震和Naghan地震）。我们在Arak电站锅炉构架设计最终设计阶段又用NASTOAN程序对结构按我国标准GB11-89的8度地震区的要求进行了响应谱分析。

　　地震面波由水平位移波与垂直位移波构成。在伊朗Arak电站锅炉构架动力分析中，由于结构为对称结构，根据有关标准规定我们只考虑两个主轴方向水平位移波的影响（分别独立进行），忽路了垂直方向位移波的影响。在实际分析计算中，两个主轴方向即为X、Y方向。我们将这两种地面运动动力响应分别和其它工况结合作为设计依据。

　　根据电站锅炉抗震设计报告的介绍，锅炉钢结构阻尼系数随振动状况不同（不同结构，不同振型）而不同。在Aiak电厂锅炉抗震设计中，阻尼系数统一选取0.04. 4.计算结果的评定在锅炉构架抗震设计动力分析中，动力分析结果的评定是最重要的问题。特别是当我们建造的电站位于篼地震危害区时，这一问题就更为突出。按照有关规范要求抗炻设计则是按三个水准进行设防的，其基本特征是“小展不坏，大震不倒”。由此我们需要对动力分析的结果进行恰当的评定。

　　在伊朗Aiak电站锅炉构架抗展设计动力分析中，我们对分析结果的评定情况可简述如下：4.1关于构架的弹塑性动力响应问题基于经济性要求结构在遭遇强震时应允许塑性变形，这一点在规范中已有明确说明。比如伊朗抗震设计规范提供的两次地震的加速度曲线都具有较篼的加速度峰值，其中Tabas为915.39cm/sec/sec，naghan为709.46cm/sec/sec.如按Donovan公式计算，第一条加速度曲线（Tabas地震）加速度峰值相当于10级地震距震中50公里处的地面加速度峰值。在这样的地震荷载作用下，结构不进人塑性状态是不经济的。

　　要在结构分析中反映这种非弹性变形，有二种方法：一是根据结构的动力特性，对结构进行弹塑性分析。二是利用简便方法，建立弹塑性反应和线弹性反应之间的关系式，对结构进行线弹性分析，求出结构的内力和位移。

　　我们在实际工程设计中是通过建立弹塑性反应和线弹性反应之间的关系来考虑弹塑性变形的，具体说来就是利用结构系数的概念来弥合理想弹性分析与弹塑性分析之间的差异的。由此确定地震验算内力，同时其位移则直接按弹塑性位移的要求验算结构侧移。

　　就Arak电站锅炉构架的情况而言，动力分析方法求得的结构内力、位移同按等效静力求得的内力、位移进行比较，两者有很大区别。某些构件按照动力分析方法求得的内力比等效静力法求得的内力大1.5倍，位移则要大34倍。

　　按照某种地震烈度进行抗震设计时，在设防烈度地震荷载作用下结构应不发生破坏，即处于弹性变形阶段。在这种情况下应进行组合工况校核，为此目的我们编制了相应的软件以对结构进行分析。

　　由于决定结构地展响应的因素众多，而实际的地展荷载是难以准确预见的，因而依据某种地震荷载（无论是基础运动还是响应谱分析）进行抗震设计时，抗震验算都只是必要措施之一，在此基础之上还得要有清晰的抗震概念设计。在各种抗震措施中，除了应满足结构对称性、延展性等一般性要求外，更重要的是根据动力分析的结果，根据地震荷载作用下结构独特的受力特征对结构进行有针对性的加强。