李　鵬

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京　100097)

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空冷凝汽器鋼結(jié)構(gòu)A 字形鋼架節(jié)點(diǎn)有限元分析

李鵬

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京100097)

摘要:采用ANSYS有限元分析軟件，建立了太原某電廠空冷凝汽器鋼結(jié)構(gòu)模型，對(duì)A字形鋼架節(jié)點(diǎn)構(gòu)件及加勁肋進(jìn)行了模擬，分析了鋼架節(jié)點(diǎn)在最不利工況下的應(yīng)力和變形情況，為空冷凝汽器結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:空冷凝汽器，A字形鋼架，節(jié)點(diǎn)形式，有限元分析

0　引言

直接空冷技術(shù)是火電廠在運(yùn)行過程中，燃煤鍋爐生產(chǎn)的高溫高壓水蒸汽經(jīng)大直徑排氣管道輸送到空冷凝汽系統(tǒng)的換熱管束里，空氣在軸流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，穿過翹片管束的翹片間隙，從而將翹片管束內(nèi)的蒸汽冷凝為冷凝水，使其在重力作用下回流至凝結(jié)水箱，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

管束由A字形鋼架支承，A字形鋼架由下部正交鋼桁架支承;A型支架作為冷凝器(管束)的直接支撐結(jié)構(gòu)，其剛度對(duì)管束及上部縱向蒸汽分配管道的變形及內(nèi)力影響較大。地震作用下，由于A型架為空冷支架結(jié)構(gòu)重量的主要集中部位，也是地震作用的主要受力部位。總體結(jié)構(gòu)模型見圖1，單榀A型架見圖2。

圖1　總體結(jié)構(gòu)模型

圖2　單榀A型架

1　節(jié)點(diǎn)形式

在A字形鋼架頂部有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是斜桿位于工字型鋼主梁中部，在相交處添加腹板。斜桿也為工字型鋼焊接而成，因此在此分析中稱為H型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)形式如圖3a)所示。第二種情況，斜桿位于工字型鋼主梁的端部，兩根主梁在端部用端板鉚接。斜桿使用雙支槽鋼，在此分析中稱為C型節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)形式如圖3b)所示。使用ANSYS有限元分析軟件前處理器建立三維實(shí)體模型，由于在設(shè)計(jì)荷載作用下，材料均處于彈性階段，焊縫對(duì)模型分析結(jié)果影響不大，因此在建模時(shí)不考慮焊縫和螺栓連接，將所有桿件和板材直接連接。所建模型如圖3所示。使用Solid45單元對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，打開智能尺寸開關(guān)，精度設(shè)置為9，使節(jié)點(diǎn)桿件連接處的單元?jiǎng)澐指泳?xì)，達(dá)到更好的分析效果。

2　有限元分析

2．1H型節(jié)點(diǎn)

1)受拉H型節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)計(jì)算中采用的設(shè)計(jì)荷載取自3D3S軟件對(duì)太原某電廠空冷結(jié)構(gòu)整體分析的結(jié)果。在整個(gè)空冷凝汽器A字形鋼架頂部的H型節(jié)點(diǎn)中有一部分節(jié)點(diǎn)的最不利作用力為拉力。由于節(jié)點(diǎn)位于工字形梁中部，在沿梁方向認(rèn)為剛度較大，在分析時(shí)將梁的剖面作為固端，主要分析節(jié)點(diǎn)在斜桿荷載作用下的受力情況，忽略主梁受力。在ANSYS中將軸力轉(zhuǎn)換成面荷載后施加到斜桿上。

圖3　A型架頂部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式

使用ANSYS有限元軟件對(duì)受拉最大節(jié)點(diǎn)3008進(jìn)行靜力分析，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖4a)所示。

圖4　拉力作用下3008節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果圖

節(jié)點(diǎn)整體受力較小，應(yīng)力分布比較均勻，受力最大處位于上部主梁底部與其一側(cè)板材的交接處。在荷載作用下，連接板的自由端將隨斜桿向下移動(dòng)，使得板材繞固端向下轉(zhuǎn)動(dòng)，固端與工字形梁發(fā)生擠壓，造成較大的局部應(yīng)力。其值為138．223 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)變形如圖4b)所示，在受力較大一側(cè)的斜桿變形較大，節(jié)點(diǎn)整體變形較小，節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定。

圖5　壓力作用下2012節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果圖

2)受壓H型節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)2012受到最大壓力作用力，兩支斜桿分別受到-353．9 kN和-175．4 kN的作用力。ANSYS靜力分析結(jié)果如圖5所示。

與受拉節(jié)點(diǎn)類似，節(jié)點(diǎn)整體受力較小，應(yīng)力分布比較均勻，受力最大處仍然位于上部主梁底部與其一側(cè)板材的交接處。在荷載作用下，連接板的自由端將隨斜桿向上移動(dòng)，使得板材繞固端向上轉(zhuǎn)動(dòng)，固端與工字形梁發(fā)生擠壓，造成較大的局部應(yīng)力。

2．2C型節(jié)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)中的C型節(jié)點(diǎn)主要受到壓力，其中節(jié)點(diǎn)3040受到的作用力最大，選為研究對(duì)象。ANSYS靜力分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　設(shè)計(jì)荷載作用下3040節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

由于施加的荷載方向相反，大小相近，因此應(yīng)力和變形均呈對(duì)稱分布。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大處位于工字形主梁下方槽鋼轉(zhuǎn)角處。由于構(gòu)造原因出現(xiàn)了應(yīng)力集中，見圖6a)，最大應(yīng)力為159．1 MPa，小于鋼結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度。由于雙支槽鋼構(gòu)件由兩支槽鋼通過連接板組合而成，相較于型鋼，單肢槽鋼整體穩(wěn)定性有削弱，因此節(jié)點(diǎn)位移較大，如圖6b)所示?？稍诓垆搩?nèi)設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)構(gòu)件穩(wěn)定性。

3　結(jié)語(yǔ)

1)本文將空冷凝汽器A型架兩類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元實(shí)體分析，分析模型與實(shí)際制造成品一致，除構(gòu)件外，加勁肋布置均按照最終施工圖建模。模型能夠細(xì)致和全面的反映節(jié)點(diǎn)受力的實(shí)際情況。將3D3S整體分析具體化，精細(xì)化。為設(shè)計(jì)員展示最直觀的計(jì)算結(jié)果。2)兩種節(jié)點(diǎn)在最不利組合產(chǎn)生的荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力均小于鋼材屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)布置形式，加勁肋等構(gòu)造措施合理科學(xué)。3)H型節(jié)點(diǎn)在型鋼構(gòu)件的轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且在加工過程中用焊接連接。因此構(gòu)件必須保證熔透焊，同時(shí)嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。也可以在轉(zhuǎn)折處加設(shè)加勁肋，增加安全儲(chǔ)備。對(duì)于C型節(jié)點(diǎn)，可在槽鋼構(gòu)件中等間距設(shè)置加勁肋，增加槽鋼剛度，減小構(gòu)件變形。

參考文獻(xiàn):

［1］趙更歧，白國(guó)良，趙春蓮，等．三款空冷支架結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性測(cè)試研究［J］．世界地質(zhì)工程，2009，25(4):59-60．

［2］代慧娟．鋼桁架——傘撐空冷支架結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)與設(shè)計(jì)方法研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2013．

［3］劉林．空冷凝汽器支架結(jié)構(gòu)性能與地震反應(yīng)分析［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2007．

On finite element analysis of A-shaped steel frame of air-cooled condenser

Li Peng
(Datang Environment Industrial Group Co．，Ltd，Beijing 100097，China)

Abstract:The paper adopts the finite element analysis software ANSYS，establishes the air-cooler condenser steel structural model of some power plant in Taiyuan，simulates the A-shaped steel frame joint components and stiffening rib，and analyzes the stress and deformation of the steel frame joints under unfavorable conditions，so as to provide some reference for the joint design of the air-cooler condenser．

Key words:air-cooler condenser，A-shaped steel frame，joint form，finite element analysis

作者簡(jiǎn)介:李鵬(1982-)，男，碩士，工程師

收稿日期:2015-10-28

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0059-02

中圖分類號(hào):TU311．41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A