（热能工程专业论文）余热锅炉钢架优化设计研究.pdf

余热锅炉钢架优化设计硼究 捅要 锅炉是工业生产的生命线，许多大型的企业都使用锅炉作为提供能量的设备，一旦 出现事故则后果非常严重。锅炉钢架是锅炉的主要承重部件，对于保证锅炉设备的正常 及安全的运行起着至关重要的作用。锅炉钢架在锅炉总重中也占有相当大的比例。因此， 钢结构的整体设计在节约钢材，降低成本等方面具有很大的潜力。对锅炉钢结构整体力 学特性进行分析研究，在保证使用安全、可靠的基础上，力求设计出更加经济、合理的 钢架结构也是设计人员追求的目标。 本文针对某余热锅炉钢架这种特种钢结构，运用有限元方法，采用梁单元模型建立 了简化的钢架整体有限元模型，使用大型通用有限元分析软件a n s y s 对其进行了空问 结构静力分析，地震波作用下的动力响应分析。根据锅炉钢架静力分析结果，以钢架梁 柱截面尺寸为设计变量，钢架质量为优化目标，钢架最大位移为优化约束，对结构进行 了相应的减重优化。对优化后钢架进行了地震波作用下的动力响应分析，完成了锅炉钢 架抗震性能的检验。研究成果可为余热锅炉以及其他类型的大型特种钢结构设计提供依 据和参考。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 钢架结构静力分析 按照余热锅炉钢架的结构形式和尺寸，对余热本体及旁路系统钢架采用b e a m l8 8 梁 单元建立三维有限元分析模型，在考虑恒荷载、活荷载、风荷载等组合工况下，对结构 进行空间静力计算，分析结果显示余热锅炉本体及旁路系统钢架强度和刚度均满足钢架 结构设计规范的要求，并且结构有很大的安全裕度，可以对结构进行优化设计，使得钢 架在满足规范要求的条件下减少钢材用量，节约成本。所得到的计算结果可为工程实际 设计提供参考。 ( 2 ) 钢架整体结构在地震荷载下的分析 根据锅炉钢结构抗震设计中的要求，在特定的抗震防烈度等级下，输入地震波荷载， 对结构做地震波作用下时程分析。分析结果显示，单向地震荷载作用下本体钢架表现出 了明显的单向扭转特征而旁路钢架则表现出了明显的单向弯曲特征，但两钢架的地震响 应均随着地震波的衰减而衰减；双向地震载荷作用下两钢架的位移响应比单向激励更为 明显；相比于单向激励下的分析结果，位移相应均存在滞后现缘。通过结合工程实例提 出钢架抗震改进措施，计算结果可为工程实际提供参考。 哈尔滨l ：群人学硕十学伊论文 ( 3 ) 框架的结构优化 在静力分析的基础上，根据钢结构的设计准则及相关要求对工程实例进行优化设 计，通过改变钢架梁柱截面尺寸参数使得优化后的钢架在满足设计规范要求同时降低钢 架的整体质量，达到节省开支的目的。并对优化后的钢架进行结构抗震分析，检验优化 后钢架的抗震性能。 关键词：余热锅炉钢结构；静力分析；时程分析；优化设计；有限元 余热锅炉钢架优化设计 a b s t r a c t b o i l e ri st h el i f e l i n eo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，m a n yl a r g ec o m p a n i e sa r eu s i n gb o i l e rt o p r o v i d ee n e r g y i ft h eb o i l e rt u r n st oa c c i d e n ti tw i l lb ev e r ys e r i o u s t h eb o i l e rs t e e lf l a m ei s t h em a i nb e a r i n gp a r to ft h eb o i l e r i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo fm a k i n gs u r et h eb o i l e r e q u i p m e n t sr u ns a f e l ya n dn o r m a l l y t h em a s so fb o i l e rs t e e lf l a m et a k e su pc o n s i d e r a b l e p r o p o r t i o ni nt o t a lm a s so ft h eb o i l e r s ot h ed e s i g n i n go ft h eb o i l e rs t e e lf l a m eh a sp o t e n t i a l c a p a c i t yi ns a v i n gs t e e la n dc u t t i n gc o s ta n ds oo n s t u d y i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h e b o i l e rs t e e lf l a m et om a k es u r et h eb o i l e re q u i p m e n t sr u ns a f e l ya n d d e s i g nm o r ee c o n o m i c a l ， m o r er e a s o n a b l eb o i l e rs t e e lf l a m ei sa no b j e c tw h i c ht h ed e s i g ne n g i n e e r s p u r s u i t w i t ht h eh e l po fm o d e l i n gb ya n s y sa n da p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，3 d s t a t i ca n a l y s i so fe x h a u s t - h e a tb o i l e rs t e e lf l a m ea n dd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ew h o l e s t r u c t u r et os e i s m i cl o a da r ec a r r i e do u ti nt h i st h e s i s b a s e do nt h es t a t i ca n a l y s i sr e s u l t s ，t h e f l a m es e c t i o np a r a m e t e r sa r et a k e na sd e s i g nv a r i a b l e s ，t h es t r u c t u r em a x i m u m d i s p l a c e m e n t i st a k e na so p t i m i z a t i o nc o n s t r a i n tt om i n i m i z et h em a s so fw h o l es t r u c t u r e t h ed y n a m i c r e s p o n s ea n a l y s i si se m p l o y e dt oc l a r i f yt h ea s e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m u md e s i g no f t h eb o i l e rs t e e lf l a m e t h er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rr e l a t i v ep r o j e c t si nt h ef u t u r e ( 1 ) t h es t a t i ca n a l y s i so ft h es t e e lf l a m es t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lt y p ea n ds i z eo ft h eb o i l e rs t e e lf l a m es t r u c t u r e ，b e a m18 8 e l e m e n ti sa p p l i e dt os i m p l i f i e d3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fe x h a u s t h e a tb o i l e rs t e e l 矗a m e a n di t sb y p a t hs y s t e ms t e e lf l a m e c o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o no fc o n s t a n tl o a d ，l i v el o a d ， w i n dl o a d ，e t c ，t h es t r u c t u r ei s s p a t i a l s t a t i c a l l yc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fe x h a u s t h e a tb o i l e rs t e e lf r a m ea n di t sb y p a t hs y s t e ms t e e l f l a m eo r eb o t hu pt ot h er e q u i r e ds t a n d a r d s f u r t h e r m o r e ，t h es t e e lf l a m e sa r es os a f e t ya st o b eo p t i m i z e dt or e d u c et h es t e e l q u a n t i t yw h i c hc a ns a v et h ec o s t t h er e s u l t sp r o v i d e r e f e r e n c ef o rr e l a t i v ep r o je c t si nt h ef u t u r e ( 2 ) d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ei n t e g r a ls t e e lf r a m eu n d e rs e i s m i ca c t i o n a c c o r d i n gt ot h er u l e so fb o i l e rs t e e ls t r u c t u r ea s e i s m i cd e s i g n ，i np a r t i c u l a rs e i s m i c i n t e n s i t yl e v e l s ，i n p u ts e i s m i cl o a dt h e nd ot h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ei n t e g r a ls t e e l f l a m eu n d e rs e i s m i ca c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x h a u s t h e a tb o i l e rs t e e lf r a m ep e r f o r m s 哈尔滨i ：样火予：硕十学何论文 s i n g l et o r s i o nf e a t u r eo b v i o u s l y , o t h e r w i s e ，i t sb y p a t hs y s t e ms t e e lf l a m es h o w ss i n g l eb e n d f e a t u r eu n d e rs i n g l ed i r e c t i o ns e i s ml o a d t h er e s p o n s eo ft h ef r a m e sr e d u c e sw i t ht h e r e d u c t i o no ft h es i n g l ed i r e c t i o ns e i s ml o a d t h er e s p o n s e su n d e rb i d i r e c t i o n a ls e i s ml o a da r e m o r es i g n i f i c a n tt h a nt h o s eu n d e rs i n g l es e i s ml o a d c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t su n d e rs i n g l e s e i s ml o a d ，t h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s e so ff r a m e ss h o wt h eh y s t e r e s i sp e r f o r m a n c e t h e a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h es t e e lf l a m ea s e i m i cp e r f o r m a n c en e e d st oi m p r o v e t h er e s u l t s p r o v i d er e f e r e n c ef o rr e l a t i v ep r o je c t si nt h e f u t u r e ( 3 ) t h ef l a m es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n b a s e do nt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h ed e s i g no p t i m i z a t i o np r o c e d u r e so ft h ef r a m e sa r e p e r f o r m e d t h eo p t i m u md e s i g no ft h ef r a m e ss a t i s f i e st h ed e s i g nc r i t e r i o no f s t e e ls t r u c t u r e a n dr e d u c e st h em a s so ft h es t e e lf r a m e ss i m u l t a n e o u s l y , w h i c hm e e t st h ep u r p o s eo fc u t t i n g c o s t t h ea s e i s m i ca n a l y s i si se m p l o y e dt oc l a r i f yt h ea s e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m u m d e s i g no ft h eb o i l e rs t e e lf r a m e k e yw o r d s ：e x h a u s t - h e a tb o i l e rs t e e lf r a m e ；s t a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢结构的发展现状 欧洲大陆上的索尼尔工厂大楼建成于1 9 世纪中叶，是世界上第一座采用钢框架结 构建成的房屋，距今已经有1 0 0 多年的历史。在这1 0 0 多年的时间罩，钢框架结构发展 迅速并且得到了广泛的应用，钢框架结构与混凝土结构共同成为重要的结构体系。为了 使钢结构能够适应现代化生产生活的需要，必须不断加强对钢结构体系的研究，改进结 构存在的缺点，发挥其具有的优点，这是钢结构的重要研究课题。 欧美等国家中最早将铁作为建筑材料的当属英国，但直到1 8 4 0 年以前，还只采用 铸铁来建造拱桥。1 8 4 0 年以后，随着铆钉连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁 结构取代，1 8 4 6 1 8 5 0 年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥是这方面的典型代表。随 着1 8 5 5 年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1 8 6 5 年法国人发明平炉炼钢法，以及1 8 7 0 年 成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材的能力，强度高且韧性好的钢材 才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1 8 9 0 年以后成为金属结构的主要材料。2 0 世 纪初焊接技术的出现，以及1 9 3 4 年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发 展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展 成为全世界所接受的重要构架体系。 钢框架结构具有以下优点：钢架结构的整体强度高、钢材自身具有材质均匀的特点， 塑性高、韧性好、拆卸及维护方便、密闭性能好、易于进行大批量的工业化生产、建造 钢架结构的施工周期短。因此钢架结构被广泛的应用于多层、高层及超高层结构建筑物、 重型厂房建筑物、高耸构筑物、大跨度结构体、管道、储气罐、压力容器、高炉、锅炉 支架等结构。钢结构的形式是丰富多样的，主要可以分为网壳式钢结构、桁架式钢结构、 框架式结构及支架式结构等。在我国，通常按照习惯将钢结构根据型钢轧制的方式进行 分类，即分为热轧型钢结构和冷弯型钢结构。热轧型钢结构又被称为重型钢结构、普通 型钢结构；冷弯型钢结构又被称为轻型钢结构或者冷型钢结构。 轻型钢结构钢材构架截面相对较小，结构自重较轻、结构整体承受的外荷载相对较 轻，是全钢结构，轻型钢结构是钢结构的一个重要的分支。当房屋钢结构的用钢量小于 4 0 k g m 2 时，人们也将其称为轻型钢结构【1 。 工业革命以后的近百年时间罩，工业生产能力有了大幅度的提高，生产制造技术的 发展和自动生产线的出现使得各个国家的钢产量不断的增加。轻型钢结构在全世界各个 哈尔滨吲辞人学硕十学位论文 国家的民用住宅建筑物及工业生产建筑物中被大量的应用，轻型钢结构的使用规模及存 在的数量已经远远超过了人类几千年历史中所记载的数据。在二十世纪九十年代术期， 轻型钢结构的生产发展迅猛，出现了许多生产加工轻型钢结构的专门的工厂，有专门的 规范指导轻型钢结构的生产设计标准化。钢制的零部件及结构构件首先在工厂加工制 作，完成以后到施工现场装配，这样极大地减少了产品的运输次数，省去了许多不必要 的j 不节，避免了现场生产所带来的问题，提高了生产活动的经济性。 钢结构框架的使用在我国起步较晚，丌始于二十世纪七十年代后期，随着改革丌放 的到来，我国的经济发展建设逐步的好转，使得钢结构的需求使用量也有所增加，钢材 的年产量一年一年的不断增长，而钢框架结构也被广泛的应用与建筑生产当中，如大型 体育馆、写字楼、单位的库房、购物超市、餐厅等建筑物中都有钢结构的身影，在许多 建筑结构中，钢框架结构逐渐的替代了历史应用时间较长的钢筋混凝土结构。与许多传 统的建筑结构形式相比，钢框架结构最大的缺点是它的生产成本比较高，近年来钢材的 价格又有上涨的趋势；但对于轻型钢框架结构来说，结构自身重量很轻、结构强度很高、 型材的体积小、生产建设的周期很短，因此从某种意义上来说，钢结构的使用能够增加 建筑物的实际使用面积，提高了土地的使用效率，它的投资能够在较短的时间内收回， 加快了资金的利用率，这一点是其他传统结构形式无法比拟的。到目前为止，在美国的 建筑行业当中，采用轻型钢结构做房屋框架的占到低层房屋市场总份额的百分之四十。 钢框架结构的出现对建筑设计有着深远的影响，极大的加强了结构设计的发展，给设计 师们提供了新的设计思路。因为钢材本事的材料特性，钢结构对结构设计方面有以下几 点意义： 加快了空间结构的发展，正是因为有了钢框架结构的发展，才使得大跨度的空间结 构得以出现。传统的混凝土结构有着先天的缺陷，很难应用于大跨度的空问结构，而钢 框架结构就可以较好的应用于大跨度结构。目自i f ，我国跨度最大的钢架结构是1 9 7 5 年 建成的上海市人民体育馆，从上方看它的整个平面为圆形，直径为1 1 0 米。 钢框架结构的出现加快了建筑物结构模型的发展。钢框架结构的整体强度高，相对 轻便小巧，具有较好的连接性能，钢材本身加工制造简便，易于做成各式各样的形状， 这些特点使得结构设计师们在给建筑物本体设计造型时提供了基础。对于一个优秀的有 着丰富经验的建筑物结构设计师，能够在保证建筑物的结构强度受力的情况，设计出风 格独特、造型优美的结构设汁。上海大剧院、及帝王大厦j 下是如此。 钢框架结构的出现加快了建筑物层高的发展。高层建筑物的出现在外观上给人以宏 第1 章绪论 伟壮丽的感觉，人们往往给高层建筑物赋予很多的象征意义，这获得了越来越多的关注； 高层建筑物的出现能够在同等的土地资源条件下获得更多的使用空间，大大的节省了土 地资源，而传统的混凝土结构由于受到自身的限制，不能够满足建筑物向高层、超高层 发展的需要。世界上知名的1 0 大高层建筑如美国芝加哥的a m o c o 大厦、吉隆坡的双 子塔都是采用钢框架结构或者是钢框架结构与混凝土结构混合建造而成的。 随着中国经济的发展，我国的钢铁产量在迅猛的逐年提高，特别是在建设部出台了 关于推广了钢结构在民用及工业建筑物中的使用政策以后，钢框架结构在我国的发展将 会越来越迅速、越来越蓬勃【z 】。 1 2 国内外锅炉钢结构的设计方法及研究现状 前面介绍了钢框架结构在世界范围内的发展情况，除了在民用建筑中钢框架结构使 用越来越广泛以外，工业上钢框架结构的应用也越来越广。许多工业设备都采用钢框架 作为设备的承重结构。 锅炉是国民经济工业生产的重要设备，它能提供工厂需要的蒸汽和热水、将燃料的 化学能转变成热能，完成能量的载体转换。锅炉上的钢框架是锅炉本体的主要承重结构， 它对于锅炉本身及整个工厂的正常、安全、可靠的运行起着及其重要的作用，在许多大 型的电站锅炉中，锅炉钢框架的重量占整个锅炉设备总重的比重也较大，一般在3 0 左 右【3 】。因此，合理的钢框架结构的设计能够在节省钢材使用量，降低生产成本这些方面 发挥巨大的潜力，这正是许许多多的钢框架结构设计人员极力倡导的在结构设计中“合 理使用钢材”的一个关键因素。 在我国，各大锅炉厂所引进的生产技术大部分都是来自美国，虽然所进1 3 的技术分 为不同的派别，但锅炉及其框架在布置方式上基本还是相同的。在钢框架的支柱、横梁 以及竖直支撑的截面上都是选用从国外进口的w 型钢材。因为引进的w 型钢，在横截 面上有一定的局限性，所以支柱的布置比较紧凑，水平的层与层的间距相对较小。f 1 本 的日立公司和同本的巴和科克公司在锅炉钢框架结构的布置上与国内的生产厂家选用 的方式比较相似，都是使用的翼缘柱部分超宽的结构。有区别的地方在于，r 本公司设 计的锅炉和水管烟管等的管道布置在内侧柱的罩侧，而因此他们在设计时要求内侧柱之 间的i 日j 距也较大。内侧的支柱和外侧的支柱的水平距离比较小，同时在外侧支柱的立面 上不添加垂直的支撑，仅仅在内侧支柱的立面上布置有垂直支持，来保证整个锅炉及其 钢框架结构的稳定性。鉴于同本公司在行置方式上有一定的优越性，也取得了一些实践 效果，国内也丌始有一些锅炉厂采用的同本公司在向置锅炉钢框架结构时的方式，就是 哈尔滨l ：稗人学硕十学位论文 把外侧支柱和内侧支柱采用水平方向支撑的桁架把两个立面连接起来，而这样就不需要 在外侧支柱上拉上斜撑，因此在钢材的使用上得到了节省。由于锅炉本身的庞大，支撑 锅炉的钢框架结构相对来说也十分的庞大和错综复杂，因此设计人员在设计锅炉钢框架 结构时应给予足够的重视，否则会引起不必要的麻烦，造成经济损失。我国引进的北仑 发电厂的6 0 万千瓦的发电机组，设计方面由同本的i h i 公司完成，而由于国内和国外 在某些标准的使用上不太一致，引起了在设计方面的配合上的不一致，结果在现场安装 过程中钢结构的杆件出现了大量的失稳，不得已只能在现场采取了大量的补救措施，以 补充钢架的强度，即浪费了时间，有增加了钢材的使用量。由同本三菱电器公司为三河 电厂设计的3 0 万千瓦的发电机组，由于材料选择不当，不能满足钢框架结构的强度要 求，在钢结构部分交付安装完成以后又不得不将其全部拆卸掉，造成了及其惨重的损失， 也给我们以深刻的教训【4 】。近几年以来，由于国内工业和电力行业的发展需要，国内的 锅炉制造业也迎来了发展的春天。国内的血大发电集团在电厂方面的投资力度扩大，投 资总额和装机容量均超过了其他国家的平均水平，创下了世界新高，陆续建设了多座大 型火电厂，这也使得大型的锅炉钢框架结构在中国获得了相当大的发展空间。因此，从 设计人员的方面来考虑，以及工业生产的需要，在锅炉钢框架结构的市场需求越来越大， 发展状况越来越好的情况下，我们应该更加重视我们的设计能力，提升自身的设计水平， 在结构上对锅炉钢框架进行优化，从而节约资涮5 。 锅炉的钢框架结构的结构型式是特殊的，随着锅炉钢结构在我国的发展的迅猛提 升，越来越多的学者投入到了对锅炉钢框架结构的探索和研究之中。章根树在考虑到钢 架中杆件的强度和刚度的前提条件下，研究总结除了支柱之f b j 的水平撑杆的设计允许内 力的近似的计算公式和表格计算方法，这项研究成果可以直接应用于支柱间的非完全或 者完全的水平撑杆结构 6 】。在高层和超高层的建筑物钢框架结构的使用中，罗仁对常用 的抗侧力体系的结构承载特性进行了综合介绍，并且对各种方法的优缺点进行了对比 _ 兀。 在对使用年限较久的旧锅炉加固改造方面，代庆生研究了许多较为实用的方法，他的研 究成果对旧锅炉加固改造工程能够起到一定的指导作用p j 。武汉的国际会展中心所采用 的钢框架结构的跨度较大，钢架承受的载荷也较大，阎德亮在与此结构设计相关的方面 做了详细的介绍p 。高层和超高层的钢框架结构在工业锅炉的厂房中也丌始有所应用， 魏利金在此方面做了概况性的介绍【l0 1 。在锅炉钢框架结构设计中，结构承受的荷载与荷 载组合是至关重要的，直接影响到对钢结构的设计，在此方面孟宪国做了许多的研究】。 王文浒在锅炉对包含有侧移钢框架的锅炉钢结构及其位移问题进行了探讨 1 2 】。在钢框架 4 第1 章绪论 i i 宣；葺；高；暑；i i i ；i i i 肓i 薯i ；i i i ；昌；宣；i ；宣；i i i i i i i i ；i i i i i i 昌眚宣i i ；i ；置；i 宣；宣i h 7a 毫 结构设计中的整体稳定性及稳定力问题上，学者孙洪鹏进行了探索和研究【1 3 】。锅炉钢框 架结构的研究重点是钢架整体的抗侧移分析，这一点与普通的高层建筑物的研究是一致 的。锅炉钢框架结构在进行抗侧移分析时需要考虑以下两个方面：第一是从使结构产生 侧移的动力方面进行考虑，包括风载荷、地震作用、锅炉炉膛在事故发生时产生的爆炸 力；二是需要考虑整个锅炉钢框架结构在抵抗结构发生侧移、及抗震方面所能采取的措 施 i4 1 。我国锅炉行业在锅炉钢结构抗争设计过程中所使用的最为常用的方法就是等效静 力法，即底部剪力法。但是，由于近年来电力行业的发展需要，电站锅炉不断朝着大型 法向发展，参数高、容量大的电站锅炉层出不穷，其高度都在5 0 m 以上，有些电站锅炉 其高度甚至超过了1 0 0 m ，而传统的底部剪力法在计算时要求钢架整体高度不能超过 4 0 m 【l 引，这使得底部简历法的应用受到了限制。如果对于这种高参数的电站锅炉继续采 用原有的设计计算方法来计算受到的地震力的作用，将会产生极大的误差，计算结果的 可靠性难以令人信服。 另外一个需要设计人员考虑的重要问题是锅炉钢框架结构的连接方式问题。上海锅 炉厂在与德国a l s t o n 公司联合开发的上海外高桥2 x 9 0 0 m w 的项目中，钢框架结构 在连接方式上采用了强度高的扭转型螺栓进行连接。设计人员在设计时通常都是采用设 计软件，目前国际上应用较为广泛的钢结构设计软件有：s t a a d r p o 软件，它使用起 来十分方便，并且设计功能十分强大，可以进行p 二阶效应分析，具有强大的三维模 型建模能力和后处理功能，并且可以进行详细的有限元分析，可以在钢框架结构的连接 点上对结构进行设计上的优化，并且能够自动完成对工程旌工详图的绘制 16 1 。锅炉钢框 架结构与其他一般类型的高层建筑结构不同的地方是，整个锅炉钢框架结构基本上没有 任何一个完整的楼层，它是典型的柔性建筑结构。地震作用和风荷载是使得锅炉钢框架 结构产生侧移的主要原因，在进行结构设计时起着至关重要的作用。如果能够对锅炉钢 框架结构的抗侧移能力进行设计上的优化，就可以在保证安全、实用的前提下，节约资 源，获得最大的经济收益。 锅炉在建筑物类别中被划分为乙级建筑，而作为主要承重部件的钢架结构一旦丧失 稳定性，将会发生重大的事故，造成的后果将不可想象。锅炉钢框架结构受到的实际载 荷是多种多样的，；b i l l 的锅炉往往在钢框架结构的不知过程中采取的形式也变化万千， 这些诸多因素常常让设计人员难以控制，很难使得所设计的结构稳定性与实际应用相一 致，这一点对于高参数的锅炉钢框架结构设计显得更加显而易见。锅炉钢框架的结构设 计中需要考虑的另一个重要问题就是钢架的稳定性，钢结构本体的稳定性、部分子结构 哈尔滨r 1 犟人学硕十学何论文 的稳定性、单独构件的稳定性，都是锅炉钢框架结构设计的主要目标。结构在整体上的 稳定性与单构件所具有的稳定性是不同的，但是二者之间又有着相辅相成的关系。鉴 于结构与起组成构件之间相互影n l 匈，并且错综复杂的关系，在工程设计当中，常常通过 理想化的假设，把两者互相之间的影响假象为单一性地、并且单向施加的方式予以考虑。 对于单一构件的结构稳定性问题，无论是采用与实际模型相接近的模型还是通过理论假 设所获得的理想情况，在理论上已经拥有了许多成熟可靠的研究方法；而对于整体结构 的稳定性的考虑，由于构件与构件之间存在相互影响以及存在材料非线性和几何非线性 等因素，要想使理论分析得到精确的结果还是非常困难的。目前国际上的许多国家以及 国内厂家在进行钢框架支柱的结构设计以及框架整体稳定性验证计算的时候都是采用 长度分析法进行计算的。在整个结构中最先出现稳定性问题的是地位最不利的杆件。而 其他位置的杆件，尤其是与失稳杆件相连接杆件，对失稳杆件可以起到一个控制作用， 推迟杆件失去平衡的时间，一直持续到整个结构达到临界状态。因此说，结构的整体稳 定性问题是不可分隔开来考虑的，杆件之间的失稳作用是相互关联，紧密联系的。钢框 架支柱的计算长度与桁架杆件的设计长度都是根据以上原则来考虑，选定的。将结构稳 定性理论与钢框架结构设计问题相结合，能够充分发挥出理论方法与设计的潜在优势， 不但能够防止结构发生失稳事故，还能够防止结构过于稳定，浪费材料。在现有的钢结 构桁架的设计方法及分项模型中，在考虑结构的最大承载能力时通常将构件的部分稳定 性与结构的整体稳定性单独考虑，就是先把各类构件进行分类，给出受压板件的长宽比 的极限值，再验证构件的整体稳定性。如果忽略整体稳定性与单一杆件的稳定性之间的 关系，将有可能带来一系列的问题，甚至引发事故【1 7 j 。 1 3 课题研究的意义 锅炉是国家的生命线，许多大型的企业都使用锅炉作为提供能量的设备，一旦出现 事故则后果非常严重。而锅炉钢框架结构作为锅炉本体的主要支撑结构，他的关系重大 的作用在于保证全厂及锅炉设备的安全可靠的运行。锅炉钢架结构在锅炉总重中也占有 相当大的比例，通常在2 0 左右，所以说，锅炉钢框架结构的合理设计对于节约钢材， 节省制造成本等方面叮以发挥巨大的作用。对锅炉钢框架结构的整体结构力学性能的研 究分析，保证设备能够稳定、安全、可靠运行的d ，j 提条件下，力争能够设计出更加合理、 节省资源的钢框架结构则是设计师们努力追求的目标。 锅炉钢框架结构在横向方向的刚度相对于其他方向是最差的，钢架结构承受的最主 要的水平载荷是风载荷和地震力的作用，二者的合理选择控制着钢结构的结构设计瞵】。 6 第1 章绪论 在所有研究锅炉钢框架结构设计问题时，研究设备因素对整体的影响，地震作用下的抗 震性能、空间整体性能，相关的研究成果较少，是亟待解决的技术问题。而传统的手算 方法，虽然可以满足设计的要求，但是并不能对部件的整体力学性能给出详细的分析。 鉴于以上原因，本文通过对余热锅炉钢结构的整体进行静力分析、地震荷载作用下 的响应分析及相关杆件尺寸优化，为结构设计提供技术支持，同时研究成果也可为同类 的钢结构设计提供参考。 1 4 本文的主要工作内容 本文选取某余热锅炉的钢架结构作为分析对象，运用有限元方法，对框架进行结构 静力分析及地震荷载下的分析，然后根据分析结果利用自适应模拟退火算法与序列二次 规划算法组合优化策略对结构进行优化。 ( 1 ) 钢架结构静力分析 按照实际工程的尺寸，在对结构进行合理简化以后建立三维有限元模型，根据锅炉 钢结构设计准则中相关要求，选取合理的工作条件下的荷载作为结构载荷，对结构整体 进行静力分析和结果探讨，其中对钢框架的整体结构分析可以为工程应用提出指导意 义。 ( 2 ) 钢框架结构整体受地震力作用时的受力分析 根据锅炉钢结构抗震设计中的要求，在特定的抗震防烈度等级下，输入地震波荷载， 对结构做地震力作用下的力学分析。 ( 3 ) 框架的结构优化 在静力分析和地震分析的基础上，根据钢结构的设计准则利用模拟退火与序列二次 规划组合算法，对不满足条件的部位进行优化，对框架整体也在满足安全性的前提下进 行减重优化。在静力分析和地震分析的基础上，根据钢结构的设计准则利用模拟退火与 序列二次规划组合算法，对不满足条件的部位进行优化，对框架整体也在满足安全性的 自订提下进行减重优化。 哈尔滨i 。t - i ! 人学硕十学何论文 第2 章有限元计算方法原理及应用 2 1 有限元方法概述 从工业革命丌始至今，科学技术在不断的飞速发展，工程上对设计计算的要求也越 来越高。由于在房屋设计、桥梁建设、机械制造、水坝建设、核科学及工程已经飞行器 设计、车辆工程、船舶设计制造等工程发展的需要，固体力学一直是科学家们重点研究 的范围。对于几何形状简单的实际结构，可以使用固体力学当中的变分法、松弛迭代计 算法、差分方法等计算方法来进行求解，但是对于实际工程中需要处理的问题往往是结 构十分复杂的，通过固体力学中的理论公式及方法是难以得出解析解的。直到上世纪5 0 年代中叶，科学家们发现了有限单元法，对于需要研究的复杂结构体，首先将其划分为 具有有限大小体积的但愿他，然后通过联立一系列的代数方程，并结合相应的边界条件， 对方程组进行求解，能够最先得到在分割单元体的节点处的位移，再由位移计算出结构 的应变和应力。在早期，求解复杂的代数方程组也是非常繁琐的，但是随着计算机技术 的发展，计算速度及精度都得到了大幅度的提升，用计算机求解代数方程组是十分容易 的，所以有限元方法也得到了越来越广泛的应用【1 8 1 - - 2 1 1 。 2 2 有限元方法的步骤 ( 1 ) 整体结构的离散化划分有限单元 整体结构的离散化就是将复杂的结构体分割成具有有限体积的若干单元体，划分单 元体时会产生许多的分割点，将这些点规定为节点，这样相邻单元之间通过节点就有了 联系，可以把单元之间的相关数据联系起来，通过这样的一个有限单元体的集合，代替 原有的复杂结构体。 ( 2 ) 位移函数的选择 在结构离散化以后，就能够对复杂的结构体利用有限单元法进行结构性能分析了， 在此，为了把单元t $ t j 9 结构位移、应变和应力能够用节点的位移柬表示，在对质量和体 积连续的结构体进行结构分析时，需要对单元体中节点位移的方式及分布做出必要的假 设，就是把节点位移简化成为某些坐标的单一函数，这就是所谓的位移函数。位移函数 一般均为多项式函数，原因在于对多项式进行数学运算相当方便，并且对于曲线是光滑 的函数在局部范围内都可以用多项式来逼近，近似代替复杂的函数。通过已经选好的位 移函数，就呵以推导出单元体内任意一点的位移与节点位移的公式关系，可以用矩阵形 式表示为： r 第2 苹有限兀计算方法原理及府朋 f ) = ) ( 2 1 ) 式中： 厂) 有限单元内部任意一点位移的列矩阵； 有限单元内部任意一个节点的列矩阵； 卜形状函数矩阵 ( 3 ) 单元特性的力学分析 选择完位移函数之后，就可以分析单元体的力学特性，这个过程包涵以下三方面的 内容： 通过弹性问题的平面几何方程： ) = 【h 】 ( 2 2 ) 式中： 】微分符的矩阵表达式； 日节点应变的列矩阵 将公式( 2 1 ) 代入( 2 2 ) 中联立得到 g 】= 【日】【】 田= 召 毋 ( 2 3 ) 式中： 【b 几何形状矩阵； 再向弹性问题的平面物理几何方程中带入上式中可以得出： 叫= d 】纠= 【d 吲 田 ( 2 4 ) 式中： 仃】应力列阵； d 弹性矩阵； 利用虚功原理 田7 f ) = f g ) 7 田咖 ( 2 5 ) 式中： f ) - 节点力分量列阵； 将( 2 3 ) ，( 2 4 ) 代人( 2 5 ) 得到 研7 ，) = 田7 ( 且b 】7 【d 】 b 】咖) 由于 础是任意常量，则上式变为 f ) = k 】。 田 ( 2 6 ) 式中： 【k 】。有限单元体刚度的矩阵； ( 4 ) 将所有离散单元体的位移方程、平衡方程联立在一起，就得到了整体结构的 平衡方程。 在联立这些方程的过程中包含两方面内容的因素：其一是把单个的有限单元体的刚 哈尔滨1 。：程人学硕十学何论文 度矩阵合并成为结构整体的刚度矩阵；第二是把施加在每个单元体等效节点位置上的节 点力列矩阵变成了结构的总体的载荷列矩阵。这样就获得了全部结构的刚度矩阵 k 】， 总体载荷的列矩阵 f 】的平衡方程： f 】= k 田 ( 2 - 7 ) ( 5 ) 引进萨确的边界条件 为了是所得到的代数方程组能够获得解析解，还要引入f 确适当的边界条件，只有 把f 确的边界条件添加到上述方程组中，才能够使得未知点能够计算出节点位移。常规 方式有：大数法；使方程组的总体阶数下降；改变矩阵右端的系数或者改变单元 刚度矩阵的系数的方法。 ( 6 ) 求解方程及单元结构应力 通过结构平衡方程组( 2 7 ) 的使用，可以针对不同的方程的各自特点，选取最恰 当的算法，进而计算出单元的节点位移，再返回公式( 2 4 ) 中计算单元应力。 2 3 结构动力计算的有限元方法 2 3 1 动力方程的建立与构成 1 、建立结构的运动方程 进行动力分析时最主要的目标在于：计算所求结构在随时间变化的载荷的作用下所 产生的响应。结构的运动方程是用来表示结构在动力作用下所产生的位移的关系式，而 通过求解运动方程就能够得到结构的位移。建立结构运动方程有三种不同方法，现在分 别介绍。 ( 1 ) 哈密顿原理 哈密顿原理是众多变分原理当中的一种，次方法可以表示为： f1t2 i a ( v - v ) + f 哌= 0 ( 2 - 8 ) t l1 1 式中：矿结构体的位移，包括结构体发生形变时产生的便性能及有保守外力存在 时所具有的势能； 巧在预定的时问范围内所规定的变分大小； 形，作用在结构体e 的非保于力所产生的功，非保守力包含任意载倚以 及所有的阻尼力： 丁结构体的总体动能。 哈密顿原理的意义在于，在任意的时f 副t 2 内，非保守力所产生的功的变分与动能 1 0 第2 章有限元计算方法原理及应用 及位移的变分必然大小相等方向相反。哈密顿原理是结构体建立动能方程的重要手段。 ( 2 ) 直接平衡法的使用达朗贝尔原理 这种方法的主要依据是达朗贝尔原理，这个原理可以表述为相同质量的物体所产生 的惯性力与物体运动时的加速度成正比，但是惯性力的方向与加速度的方向相反。通过 达朗贝尔原理就可以把结构体的平衡方程用运动方程来表示了。可以把结构体承受的外 荷载看成是许多个作用在结构体上的质量力，这个力的作用抵抗弹性位移月数所产生的 力、抵抗由于速度作用产生的粘滞力r ，单独作用的外载荷以及与加速度成讵比的惯 性力丘，作用在结构体上的所有质量力的平衡方程可用运动方程来表示： 互+ b + c = p ( t ) ( 2 - 9 ) ( 3 ) 虚位移原理 对于结构体十分复杂的情况，可以采用虚位移原理来解决。虚位移原理的内容是这样 的：当一个原本处于平衡的结构力系受到一组外力的作用而产生了虚位移，这个虚位移就 是结构力系在许可范围内的任意的微弱的位移，那么这些外力所做功的总和为0 。所以， 在建立结构动力系统的运动方程时，最先要弄清楚的是都有哪些外力作用于结构体的质量 上，包括达朗贝尔原理中所规定的惯性力。最后，再在每个自由度方向上引入虚位移量， 联立方程，使所有外力所做的功的和为0 ，如此就能得到结构体系的运动方程。 2 3 2 单元的运动微分方程 结构体在受到地震力作用时，有限单元的节点上的位移分为两个部分：结构体本省 与地面的相对位移 厂) 以及地面本身的运动效果 五) 。在任意时刻下，如果结构的虚位 移为 a f ) ，那么结构内部产生的虚应变 昆)