伊朗Arak電站鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析

　鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)有兩類基本方法：即等效靜力方法（基底剪力法）和動(dòng)力分析方法。雖然在目前階段，由于諸多原因，傳統(tǒng)的等效靜力方法仍是工程設(shè)計(jì)中實(shí)際采用的抗震設(shè)計(jì)方法。但近年來隨著動(dòng)力分析技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)地展問題的認(rèn)識(shí)的加深，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到這一方法的局限性以及動(dòng)力分析在抗震設(shè)計(jì)中不可替代的作用。目前在用戶的要求中往往包括動(dòng)力分析方面的內(nèi)容，如在伊朗Arak325MW工程中業(yè)主即明確要求進(jìn)行動(dòng)力分析。同時(shí)為適應(yīng)這種情況各國規(guī)范也都逐漸補(bǔ)充了動(dòng)力分析方面的內(nèi)容，如我國的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB11 -89，GB50191-93.在某些情況下規(guī)范也明確要求采用動(dòng)力分析方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，如規(guī)范GB11 -89對(duì)篼層建筑結(jié)構(gòu)就要求進(jìn)行時(shí)程分析�？傊�，鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析已成為鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)中不可回避的問題。

　　實(shí)際上對(duì)于鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析問銓國內(nèi)外已進(jìn)行過大置研究，比如我國國家地震局工程力學(xué)研究所等單位在八十年代中期曾用SAP5程序?qū)�運(yùn)行中的鄒縣300MW，石橫300MW，平圩600MW和陡河200MW等四臺(tái)機(jī)組鍋爐構(gòu)架進(jìn)行過動(dòng)力分析，并完成了一些實(shí)測工作。只不過從實(shí)際工程應(yīng)用來看，目前我國鍋爐行業(yè)在鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)中仍采用基底剪力法，國外同行在鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)中大多也采用等效靜力方法。

　　動(dòng)力分析方法與等效靜力方法比較，有些資料認(rèn)為等效靜力方法的計(jì)算結(jié)果要大于動(dòng)力分析方法的計(jì)算結(jié)果，因而等效靜力分析方法是偏于安全的方法。但根據(jù)我們采用動(dòng)力分析方法對(duì)伊朗Arak電站鍋爐構(gòu)架進(jìn)行分析的結(jié)果以及其它許多資料證實(shí)不能這樣看待這一問銓。在許多情況下采用動(dòng)力分析方法計(jì)算出的地震響應(yīng)要比采用等效靜力方法計(jì)算出的地震響應(yīng)大得多，而即便在兩者總體響應(yīng)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，在許多構(gòu)件的響應(yīng)上，兩者也有不可忽略的差別。

　　2動(dòng)力分析力學(xué)橫型鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的問題，由于懸吊爐體的存在，鍋爐構(gòu)架地展反應(yīng)較―般建筑物更為復(fù)雜。如何建立適當(dāng)?shù)牧�學(xué)模型就成為鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)的重要問題。由于懸吊爐體的復(fù)雜性，我們要對(duì)鍋爐構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力分析必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，在八十年代末期我國國家地展局工程力學(xué)所等單位在對(duì)幾臺(tái)機(jī)組鍋爐構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)就采取了許多簡化。我們?cè)趯?duì)伊朗Arak電站鍋爐構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)同樣對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，有關(guān)力學(xué)模型的建立及結(jié)構(gòu)的簡化了國家地震局工程力學(xué)所等單位的方法。

　　2.1構(gòu)架本體及構(gòu)架上荷載（重力荷載）鍋爐構(gòu)架本體是典型的梁系結(jié)構(gòu)。在SAP6及NASTRAN動(dòng)力分析中，鍋爐構(gòu)架本體均劃分為梁單元或桿單元，輸人梁截面參數(shù)及材料密度；由程序組集總剛度陣及總質(zhì)量陣（質(zhì)量均分到梁單元兩端）。

　　通常構(gòu)架承受有多種荷載，如靜載、風(fēng)載及其它可變荷載。這里所說構(gòu)架上荷載是指由質(zhì)倨引起的作用于構(gòu)架本體上的重力荷載（恒載），但其中排除懸吊爐體所引起的荷載。在地震狀況下，質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生地震力，那么相應(yīng)于每一構(gòu)架上的載荷都會(huì)引起地震力，即每一載荷相當(dāng)于一集中質(zhì)量。在分析計(jì)算中，我們通過輸人集中質(zhì)童來考慮這種影響。

　　在Arak電站鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析中，由于構(gòu)架上作用的其它載荷相對(duì)于構(gòu)架本體及爐體載荷較小，僅考慮了頂板（傳遞）質(zhì)量及煙道、預(yù)熱器的質(zhì)量：'頂板（傳遞）質(zhì)量均勻分布在各主柱頂部，共計(jì)6個(gè)點(diǎn)；煙道、預(yù)熱器質(zhì)量均勻分布到相應(yīng)位置的18個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

　　鍋爐構(gòu)架與爐體在水平方向由制晃裝置相聯(lián)系。從制晃裝置結(jié)構(gòu)特征來看，制晃裝置僅限于限制爐體橫向移動(dòng)，而對(duì)爐體其它方向'運(yùn)動(dòng)無限制。在確定鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析棋型時(shí)，將制晃裝置視作一梁單元，梁單元具有抗剪剛度（Ar‘）及抗彎剛度（Wz’），單元左端固結(jié)，右端鉸結(jié)；梁其它截面參數(shù)（抗剪剛度及抗彎剛度）取很小的值。制晃裝置端部為45號(hào)工宇鋼，截面幾何參數(shù)據(jù)此選取。

　　2.3吊桿：吊桿簡化及其截面參數(shù)的確定：在懸吊式鍋爐結(jié)構(gòu)中由于實(shí)際的吊桿數(shù)目很多，不可能將每根吊桿加入結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型中，必須對(duì)此進(jìn)行簡化。這種簡化應(yīng)根據(jù)實(shí)際的吊桿布置、吊桿規(guī)格、材料等進(jìn)行簡化。模型應(yīng)使得簡化后的吊桿所傳遞到頂板上的地震力與實(shí)際情況相同，而簡化吊桿對(duì)頂板的作用力與簡化前吊桿對(duì)頂板作用力靜力等效。

　　在實(shí)際模型建立時(shí)，我們將這些吊桿簡化為四根吊桿，參閱爐體計(jì)算模型簡圖。

　　從單根吊桿來看吊桿只承受拉力，但從吊桿整體作用來看，則可承受其它方向載荷。參照<電站鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)研究>，我們可依據(jù)實(shí)際吊桿布置情況確定如下參數(shù)：截面積（實(shí)際吊桿總面積）其中：體重量，C―為吊桿長度，面積。

　　我們由此可確定簡化吊桿的截面參數(shù)：抗拉面積及抗剪面積將吊桿視作懸臂桿，端點(diǎn)受一力作用，由材料力學(xué)公式>及材料力學(xué)公式棋童，b =nA為第排吊桿數(shù)、A為吊桿間距，其它同上。

　　由于爐體通過制晃裝置與構(gòu)架相連，通過吊桿與頂板相連，相比較爐體剛度較大。在建立動(dòng)力分析模型時(shí)，我們將爐體簡化為剛性框架，通過四根吊桿與頂板相連，通過各層制晃單元與構(gòu)架相連，如所示，每層制晃裝置則如所示。

　　各層爐體質(zhì)量簡化到每層前后左右四個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

　　爐體單元的各截面參數(shù)（抗剪面積及抗彎慣性矩）均很大，但材料密度極小，相當(dāng)于無質(zhì)量的剛體。爐體質(zhì)童根據(jù)爐體在空間的質(zhì)量分布簡化至各節(jié)點(diǎn)上。

　　2.5大峨大板梁大板梁本身剛度很大，再加上頂板由眾多格條聯(lián)系在一起，我們可將大板梁及整個(gè)頂板視作剛性。在實(shí)際建立動(dòng)力分析模型時(shí)，我們根據(jù)由爐體及吊桿位置需要，將頂板簡化為幾根剛性梁單元，如所示。

　　3.地震荷栽形式雖然動(dòng)力分析有多種類型，但從結(jié)構(gòu)抗展設(shè)計(jì)角度來看，地震載荷只有兩種基本形式：即基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和響應(yīng)譜分析。我們?cè)谝晾蔄iak電站鍋爐構(gòu)架抗展設(shè)計(jì)中，既進(jìn)行了基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)分析，也進(jìn)行了響應(yīng)譜分析。在Arak電站鍋爐構(gòu)架初步設(shè)計(jì)階段我們依據(jù)用戶要求用SAP6程序?qū)﹀仩t構(gòu)架進(jìn)行了時(shí)程分析（基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)分析），所選用的基礎(chǔ)加速度曲線是根據(jù)伊朗建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中所提供的兩條基礎(chǔ)加速度曲線（分別相對(duì)于Tabas地震和Naghan地震）。我們?cè)贏rak電站鍋爐構(gòu)架設(shè)計(jì)最終設(shè)計(jì)階段又用NASTOAN程序?qū)�結(jié)構(gòu)按我國標(biāo)準(zhǔn)GB11-89的8度地震區(qū)的要求進(jìn)行了響應(yīng)譜分析。

　　地震面波由水平位移波與垂直位移波構(gòu)成。在伊朗Arak電站鍋爐構(gòu)架動(dòng)力分析中，由于結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定我們只考慮兩個(gè)主軸方向水平位移波的影響（分別獨(dú)立進(jìn)行），忽路了垂直方向位移波的影響。在實(shí)際分析計(jì)算中，兩個(gè)主軸方向即為X、Y方向。我們將這兩種地面運(yùn)動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)分別和其它工況結(jié)合作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　根據(jù)電站鍋爐抗震設(shè)計(jì)報(bào)告的介紹，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)隨振動(dòng)狀況不同（不同結(jié)構(gòu)，不同振型）而不同。在Aiak電廠鍋爐抗震設(shè)計(jì)中，阻尼系數(shù)統(tǒng)一選取0.04. 4.計(jì)算結(jié)果的評(píng)定在鍋爐構(gòu)架抗震設(shè)計(jì)動(dòng)力分析中，動(dòng)力分析結(jié)果的評(píng)定是最重要的問題。特別是當(dāng)我們建造的電站位于篼地震危害區(qū)時(shí)，這一問題就更為突出。按照有關(guān)規(guī)范要求抗炻設(shè)計(jì)則是按三個(gè)水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)防的，其基本特征是“小展不壞，大震不倒”。由此我們需要對(duì)動(dòng)力分析的結(jié)果進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑u(píng)定。

　　在伊朗Aiak電站鍋爐構(gòu)架抗展設(shè)計(jì)動(dòng)力分析中，我們對(duì)分析結(jié)果的評(píng)定情況可簡述如下：4.1關(guān)于構(gòu)架的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)問題基于經(jīng)濟(jì)性要求結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)震時(shí)應(yīng)允許塑性變形，這一點(diǎn)在規(guī)范中已有明確說明。比如伊朗抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供的兩次地震的加速度曲線都具有較篼的加速度峰值，其中Tabas為915.39cm/sec/sec，naghan為709.46cm/sec/sec.如按Donovan公式計(jì)算，第一條加速度曲線（Tabas地震）加速度峰值相當(dāng)于10級(jí)地震距震中50公里處的地面加速度峰值。在這樣的地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)不進(jìn)人塑性狀態(tài)是不經(jīng)濟(jì)的。

　　要在結(jié)構(gòu)分析中反映這種非彈性變形，有二種方法：一是根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析。二是利用簡便方法，建立彈塑性反應(yīng)和線彈性反應(yīng)之間的關(guān)系式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線彈性分析，求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。

　　我們?cè)趯?shí)際工程設(shè)計(jì)中是通過建立彈塑性反應(yīng)和線彈性反應(yīng)之間的關(guān)系來考慮彈塑性變形的，具體說來就是利用結(jié)構(gòu)系數(shù)的概念來彌合理想彈性分析與彈塑性分析之間的差異的。由此確定地震驗(yàn)算內(nèi)力，同時(shí)其位移則直接按彈塑性位移的要求驗(yàn)算結(jié)構(gòu)側(cè)移。

　　就Arak電站鍋爐構(gòu)架的情況而言，動(dòng)力分析方法求得的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移同按等效靜力求得的內(nèi)力、位移進(jìn)行比較，兩者有很大區(qū)別。某些構(gòu)件按照動(dòng)力分析方法求得的內(nèi)力比等效靜力法求得的內(nèi)力大1.5倍，位移則要大34倍。

　　按照某種地震烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，在設(shè)防烈度地震荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)不發(fā)生破壞，即處于彈性變形階段。在這種情況下應(yīng)進(jìn)行組合工況校核，為此目的我們編制了相應(yīng)的軟件以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

　　由于決定結(jié)構(gòu)地展響應(yīng)的因素眾多，而實(shí)際的地展荷載是難以準(zhǔn)確預(yù)見的，因而依據(jù)某種地震荷載（無論是基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)還是響應(yīng)譜分析）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，抗震驗(yàn)算都只是必要措施之一，在此基礎(chǔ)之上還得要有清晰的抗震概念設(shè)計(jì)。在各種抗震措施中，除了應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、延展性等一般性要求外，更重要的是根據(jù)動(dòng)力分析的結(jié)果，根據(jù)地震荷載作用下結(jié)構(gòu)獨(dú)特的受力特征對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)。