锅炉钢结构的优化设计分析.pdf

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余热锅炉2015.1
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
梁及平台扶梯等其他部件的连接,并结合实
以煤粉炉钢架为代表的锅炉钢架是典际情况选取即可,一般能确保其所受的荷载
型的框架结构,从所受荷载来看,锅筒、水冷是安全的。
壁、过热器等本体部件产生的竖向荷载通过
设计人员在设计锅炉钢架时,首先要进
悬挂的方式作用在顶部梁格上,然后通过顶行负荷统计,并选用合适的计算软件进行计
部梁格传至柱子;雨棚产生的荷载也通过算,以验证结构是否安全。由于计算软件大
顶部梁格传到柱子;空预器,省煤器及护板都不能演示具体的计算过程,设计人员根据
等产生的荷载则以分布力的形式作用于尾、计算结果不能获得一个具体直观的认识;
部烟道支撑梁上,通过梁最终传到柱子;此同时,当设计人员在使用软件进行建模计算
外,还有平台扶梯等部件产生的荷载及附加时,由于个人使用软件的方式以及对软件的
荷载也可简化为集中力直接作用在不同高理解不尽相同,使设计结果与实际结构存在
度上的柱子轴线上。对于此类结构,柱子截差异。
面的选用在钢架设计中将决定着整个钢架
为了改善这一状况,本文针对以煤粉炉
的安全性及经济性。
钢架为代表的单排柱锅炉钢架,在承受竖向
目前,常用的钢架分为单排柱和双排柱荷载、风荷载及地震作用的情况下,对风荷
二种,对大型锅炉也可采用附加柱,从受力载,地震荷载作相应简化后验算钢架底部所
状况来看,一般以内排柱为主要承载构件,受的弯矩及应力。并在确保安全的前提下,
外排柱作为附加钢架所承受的荷载则较小。通过合理选取钢架构件的截面,分析钢架在
因此,只要选定了内排柱,外排柱就可根据荷载作用下的强度、稳定性,以提高结构设
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计的安全性及经济性。
种一致性使得总体结构在变形前后能够保
1.计算原理
持其基本形状。据此,本文将其等效为一个
本文的计算基于以下两个原则:
格构式竖向受力构件,下端固定,上端自由,
(1)等应力原则,即在竖向荷载作用梁及支撑相当于格构式柱子的缀条。
下,各柱子底部应力相等。对于同一个钢架,
2.负荷统计
各柱子一般选用同种材料,并且高度相近,
(1)统计永久荷载。
当柱子应力相等时,根据应力应变的关系
a.锅炉本体各部件相关设备的结构自
各柱在竖向荷载作用下的应变和竖向位移重
也基本相等。为此,本文将首先用结构计算
b.设计院作用在钢架上管道类荷载
软件对结构进行初步计算,得到各柱底部轴
(2)可变荷载
力。根据柱底轴向反力的大小,选择柱子截
a.各平台活荷载
面,使得各柱所受轴力与截面积比值相等,
b.雪荷载
即柱子底部的应力相等。这样不仅可以使材
3.风荷载的计算
料强度得到充分利用;同时,由于目前锅炉
对于锅炉钢架来说,风荷载不仅作用
大都采用吊挂式,当各柱的轴向变形保持一在钢架上,也作用在锅炉本体部件或紧身封
至时,也有利于锅炉本体的平稳运行
闭墙皮上,因此风荷载的作用面积应计算由
需要指出的是,在上述说明中,假定竖整个框架围成的面积。把钢架看成一个整体
向荷载全部作用在柱子顶部。但在实际结构后,可将风荷载等效为一个集中力作用在钢
中,荷载在柱子上作用的位置有所不同,各架高度方向上的中点上。根据《建筑结构荷
柱的受力情况也有所不同。例如,对于空预载规范》GB50009-2001,风荷载标准值的计
器,省煤器所在处的柱子,其荷载不是作用算公式为
在柱子顶部,这与假设的将荷载全部作用在
ox=B,HH Wo
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
其中B,为风振系数,以为体型系数,
受力状况比较复杂这些柱子的截面有所偏μ2为风压高度变化系数,O。为基本风
大也属合理。综合考虑,本文仍釆用上述假压。?,对于框架结构,迎风面取08,背风
定的方法进行设计。
面取-0.5,其余参数根据相关规范计算得到。
(2)结构分析时只考虑整体性。在对钢
4.地震作用计算
架进行分析时,认为结构在梁、垂直支撑、水
结构总水平地震作用标准值
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
a一相应于结构自振周期的水半地震
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
影响系数,按GB50011-2010图5.1.5