1、1某火电厂空冷平台钢桁架结构设计优化摘要：结合某火电厂空冷平台钢桁架的设计实例，使用 SAP2000 和Midas/gen 两种有限元分析软件分别对空冷平台钢桁架结构建立有限元模型，进行模态分析和工作荷载下结构的反应分析;再对空冷平台钢结构从材料、结构强度及结构布置形式等方向考虑，进一步实现结构的设计优化，并对优化结果进行分析和总结，可供同类工程参考。 关键词：钢结构平台；有限元分析；设计优化 中图分类号：TU7 文献标识码：A 1 前言 根据国家产业政策，在北方缺水地区，新建、扩建电厂原则上应建设大型空冷机组，目前已建或在建空冷电厂以直冷系统居多，直接空冷平台钢桁架结构是直接空冷系统的重要组
2、成部分，也是火力发电厂内的生命线工程。空冷钢结构平台因其结构的特殊性，目前行业内主要采用Sap2000、midas/gen 及 staad/pro 等软件进行分析计算，Sap2000 和midas/gen 软件均为业内著名结构有限元分析软件，有很高的权威性，并且具有广泛的运用。 对于空冷平台钢结构这类特殊结构，这两种软件均能实现发挥其强大功能，实现其分析及设计。 参照已实施的 2300MW 空冷机组直接空冷系统的平台钢结构，采用2有限元分析软件别建立整体结构的三维有限元分析模型，并进行计算，得出结构在恒载、活载、雪载、地震作用以及其他荷载等共同作用下结构的受力特点和各杆件内力及结构变形，并分析
3、其受力的合理性。 在计算结果分析的基础上，考虑工艺专业的要求，提出合理的结构形式、结构布置。求出最不利内力组合并进行截面设计及优化，确保设计方案的安全性和经济性。 2 模型建立及结构计算 2.1 建立 3D 模型 本参考工程机组规模为 2300MW，位于新疆塔城地区，为全疆最早采用机械通风式直接空冷系统的电厂之一。空冷凝汽器布置在汽轮机房A 列前，空冷凝汽器平台高度 33m，空冷凝汽器支架为双层钢桁架平台，矢高为 5.50m，平台下部支撑为外径 3.60m 的钢筋混凝土柱。单台机组空冷岛钢平台长 76.0m，宽 61.0m，共有风机 30 台；平台四周悬挑 1.80m宽的走道，周围设有挡风墙；
4、钢平台承重结构由空间交叉钢桁架组成，钢桁架上设置平台板，平台钢梁上铺花纹板。利用 MIDAS/GEN 和 SAP2000分别建立整体结构的三维有限元分析模型。 2.2 荷载作用分析 空冷岛钢平台底部与混凝土柱顶部连接，9 个接点均为固支 ，6 个自由度全部约束。主要载荷及边界条件输入分析如下： 1）钢平台上施加各设备等产生的平衡分布力； 2）在计算中考虑到钢平台自重、动载荷、风载荷、雪载荷及地震等的影响； 33）地震作用：根据西安建筑科技大学空冷结构体系研究小组去现场调研和现场动力特性测试，获得国内一些空冷电厂的第一手技术资料。在弹性阶段，因为结构的主要抗侧力构件为混凝土管柱，根据试验结果，建
5、议多遇地震作用下结构阻尼比可确定为 0.027-0.035，本计算模型取0.03。经计算本结构自振周期约为 1.4s 左右，属于合理区间。依据我国建筑抗震设计规范规定，本工程计算采用考虑扭转耦联作用的振型分解反应谱法，输入时采用 CQC 法。 3 方案设计优化 单台 300MW 机组空冷岛钢平台质量约 1300t。平台承重结构由空间交叉钢桁架组成，由 H 型钢、工字钢、槽钢等钢构件组合，采用承压型高强度螺栓连接。钢平台耗钢量较大，如何在满足结构安全的前提下，从设计的角度尽量节省钢材，节约造价，是一个值得研究的问题。下面从材料强度，结构构造及工艺布置角度等三个方面着手，进行设计优化。 3.1 优
6、化方向 1）从材料强度考虑，本工程的钢平台桁架上下弦主梁及主腹杆均采用 Q345 钢材，通过各个杆件验算结果来看，钢材强度远未达到实际强度，试着从该方向着手进行优化。 2）从结构构造自身出发，从验算结果来看，本工程的钢平台结构均能满足结构要求，但也存在局部杆件安全度偏大的现象，例如杆件应力比低于 0.5 的现象较多，这说明部分杆件规格选择不合适，造成一定浪费。本着结构安全，尤其是满足主梁，主腹杆适度安全裕度的前提下，对结构进行一定范围内的优化。 4Midas/gen 的优化设计功能是在满足用户输入的钢结构设计标准和设计限制条件的情况下，自动给出最小截面面积(最小重量的)构件尺寸的功能。优化设计
7、过程将考虑强度验算阶段所适用的设计用荷载组合条件、截面形状、非支撑长度，横向支撑长度、有效屈曲长度系数、弯矩系数、弯矩增大系数以及使用材料的屈服强度等所有的设计参数来决定最合适的截面。 3）从工艺布置角度出发，一般来说，2300MW 级工程空冷钢平台结构一般均采用本模型形式，即桁架加空心管柱模式(仅个别厂家采用单层钢梁加柱斜撑模式)。受工艺管道及散热器布置及结构本身要求，空冷平台桁架矢高(即上下层主梁高差)一般在 46m 之间，300MW 等级一般采用5.06.0m，本工程原设计模型采用矢高 5.50m，现尝试采用矢高 5.00m 进行优化。 3.2 优化结果 1）按结构计算结果，本结构的桁架
8、主梁材质 Q345 改为 Q235 后，所有杆件强度、应力比，稳定等验算均能满足要求。 本工程单台机组 Q345B 钢材总量约为 740t 左右，按目前市场上 Q345钢材与 Q235 钢材的差价(250 元/t)来计算，总价节省约 37.0 万元。此外，优化后的结构方案便于施工，钢材统一，节点板材料，螺栓等均采用相同材质，施工不会混淆出错。 2）结构优化时初始设计迭代五次，程序经过三次自动迭代即跳出，优化完毕，具体优化过程略。 在满足整体稳定等验算等要求的前提下。按结构优化结果，本结构5的总用钢量大约能节省 46t 左右，费用合计约 80.96 万元。 3）降低空冷平台钢桁架矢高，并重新建模
9、加载计算后，整体结构满足设计要求，并进行前述优化设计，具体过程不再赘述。按结构优化结果，本结构的总用钢量大约能节省 55t 左右，两台机组即约 110t，共计节约 96.80 万元。 4 结论 1）SAP2000 有限元软件作为一种大型通用有限元软件，用于分析空气冷凝器支架结构是可行的。Midas/Gen 作为偏重设计的有限元软件，亦可用于空气冷凝器支架结构分析。 2）经过 Midas/Gen 和 SAP2000 的双重验证，本设计在有限单元模型基础上进行结构设计、分析和优化。结构的各部分在最不利荷载作用下都是安全的。该设计方案有一定的安全储备。空气冷凝器支架作为生命线工程的一部分，适当提高其
10、抗震设防烈度和设防目标是有必要的。 3）利用两种软件的设计及分析功能，能实现设计结果的相互验证。在恒载、活载、雪载和风载作用下各软件计算的结果总体一致，区别较小。地震作用下计算出的内力个别项次有一些差别，但是软件各项计算的结果基本一致。 4）对此种新型结构受力体系进行计算分析研究，并掌握该结构的受力特点，为今后的设计、计算提供依据。并实现对空冷平台钢桁架的钢材进行详细的统计，能使设计人员掌握钢材的重量及造价，对工程的招标及工程的总价衡量有良好的指导作用。掌握了结构的优化设计方法，能在满足机构安全的前提下实现钢材的合理利用，节省工程造价，避免6浪费。 参考文献： 1 蒋玉川. MIDAS 在结构计算中的应用M.北京：化学工业出版社，2012.2. 2 赵春莲.大型火力发电厂空气冷凝器平台计算研究分析J, 西安建筑科技大学硕士学位论文，2005.5. 3 GB 50017-2003 钢结构设计规范S.北京：中国计划出版社，2003. 4 GB50011-2010 建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2010.
