伊朗Arak電站鍋爐構架動力分析

　鍋爐構架抗震設計有兩類基本方法：即等效靜力方法（基底剪力法）和動力分析方法。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計中實際采用的抗震設計方法。但近年來隨著動力分析技術的發(fā)展以及人們對地展問題的認識的加深，人們已經逐漸認識到這一方法的局限性以及動力分析在抗震設計中不可替代的作用。目前在用戶的要求中往往包括動力分析方面的內容，如在伊朗Arak325MW工程中業(yè)主即明確要求進行動力分析。同時為適應這種情況各國規(guī)范也都逐漸補充了動力分析方面的內容，如我國的建筑抗震設計規(guī)范GB11 -89，GB50191-93.在某些情況下規(guī)范也明確要求采用動力分析方法進行抗震設計，如規(guī)范GB11 -89對篼層建筑結構就要求進行時程分析�？傊�，鍋爐構架動力分析已成為鍋爐構架抗震設計中不可回避的問題。

　　實際上對于鍋爐構架動力分析問銓國內外已進行過大置研究，比如我國國家地震局工程力學研究所等單位在八十年代中期曾用SAP5程序對運行中的鄒縣300MW，石橫300MW，平圩600MW和陡河200MW等四臺機組鍋爐構架進行過動力分析，并完成了一些實測工作。只不過從實際工程應用來看，目前我國鍋爐行業(yè)在鍋爐構架抗震設計中仍采用基底剪力法，國外同行在鍋爐構架抗震設計中大多也采用等效靜力方法。

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

　　2動力分析力學橫型鍋爐構架抗震設計是一個復雜的問題，由于懸吊爐體的存在，鍋爐構架地展反應較―般建筑物更為復雜。如何建立適當?shù)牧�學模型就成為鍋爐構架抗震設計的重要問題。由于懸吊爐體的復雜性，我們要對鍋爐構架進行動力分析必須對結構進行適當簡化，在八十年代末期我國國家地展局工程力學所等單位在對幾臺機組鍋爐構架進行動力分析時就采取了許多簡化。我們在對伊朗Arak電站鍋爐構架進行動力分析時同樣對結構進行了適當簡化，有關力學模型的建立及結構的簡化了國家地震局工程力學所等單位的方法。

　　2.1構架本體及構架上荷載（重力荷載）鍋爐構架本體是典型的梁系結構。在SAP6及NASTRAN動力分析中，鍋爐構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量陣（質量均分到梁單元兩端）。

　　通常構架承受有多種荷載，如靜載、風載及其它可變荷載。這里所說構架上荷載是指由質倨引起的作用于構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，質量會產生地震力，那么相應于每一構架上的載荷都會引起地震力，即每一載荷相當于一集中質量。在分析計算中，我們通過輸人集中質童來考慮這種影響。

　　在Arak電站鍋爐構架動力分析中，由于構架上作用的其它載荷相對于構架本體及爐體載荷較小，僅考慮了頂板（傳遞）質量及煙道、預熱器的質量：'頂板（傳遞）質量均勻分布在各主柱頂部，共計6個點；煙道、預熱器質量均勻分布到相應位置的18個節(jié)點上。

　　鍋爐構架與爐體在水平方向由制晃裝置相聯(lián)系。從制晃裝置結構特征來看，制晃裝置僅限于限制爐體橫向移動，而對爐體其它方向'運動無限制。在確定鍋爐構架動力分析棋型時，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，右端鉸結；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：在懸吊式鍋爐結構中由于實際的吊桿數(shù)目很多，不可能將每根吊桿加入結構動力分析模型中，必須對此進行簡化。這種簡化應根據(jù)實際的吊桿布置、吊桿規(guī)格、材料等進行簡化。模型應使得簡化后的吊桿所傳遞到頂板上的地震力與實際情況相同，而簡化吊桿對頂板的作用力與簡化前吊桿對頂板作用力靜力等效。

　　在實際模型建立時，我們將這些吊桿簡化為四根吊桿，參閱爐體計算模型簡圖。

　　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<電站鍋爐構架抗震設計研究>，我們可依據(jù)實際吊桿布置情況確定如下參數(shù)：截面積（實際吊桿總面積）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，端點受一力作用，由材料力學公式>及材料力學公式棋童，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。在建立動力分析模型時，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架相連，如所示，每層制晃裝置則如所示。

　　各層爐體質量簡化到每層前后左右四個節(jié)點上。

　　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，相當于無質量的剛體。爐體質童根據(jù)爐體在空間的質量分布簡化至各節(jié)點上。

　　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頂板視作剛性。在實際建立動力分析模型時，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力分析有多種類型，但從結構抗展設計角度來看，地震載荷只有兩種基本形式：即基礎運動響應和響應譜分析。我們在伊朗Aiak電站鍋爐構架抗展設計中，既進行了基礎運動分析，也進行了響應譜分析。在Arak電站鍋爐構架初步設計階段我們依據(jù)用戶要求用SAP6程序對鍋爐構架進行了時程分析（基礎運動分析），所選用的基礎加速度曲線是根據(jù)伊朗建筑抗震設計標準中所提供的兩條基礎加速度曲線（分別相對于Tabas地震和Naghan地震）。我們在Arak電站鍋爐構架設計最終設計階段又用NASTOAN程序對結構按我國標準GB11-89的8度地震區(qū)的要求進行了響應譜分析。

　　地震面波由水平位移波與垂直位移波構成。在伊朗Arak電站鍋爐構架動力分析中，由于結構為對稱結構，根據(jù)有關標準規(guī)定我們只考慮兩個主軸方向水平位移波的影響（分別獨立進行），忽路了垂直方向位移波的影響。在實際分析計算中，兩個主軸方向即為X、Y方向。我們將這兩種地面運動動力響應分別和其它工況結合作為設計依據(jù)。

　　根據(jù)電站鍋爐抗震設計報告的介紹，鍋爐鋼結構阻尼系數(shù)隨振動狀況不同（不同結構，不同振型）而不同。在Aiak電廠鍋爐抗震設計中，阻尼系數(shù)統(tǒng)一選取0.04. 4.計算結果的評定在鍋爐構架抗震設計動力分析中，動力分析結果的評定是最重要的問題。特別是當我們建造的電站位于篼地震危害區(qū)時，這一問題就更為突出。按照有關規(guī)范要求抗炻設計則是按三個水準進行設防的，其基本特征是“小展不壞，大震不倒”。由此我們需要對動力分析的結果進行恰當?shù)脑u定。

　　在伊朗Aiak電站鍋爐構架抗展設計動力分析中，我們對分析結果的評定情況可簡述如下：4.1關于構架的彈塑性動力響應問題基于經濟性要求結構在遭遇強震時應允許塑性變形，這一點在規(guī)范中已有明確說明。比如伊朗抗震設計規(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公式計算，第一條加速度曲線（Tabas地震）加速度峰值相當于10級地震距震中50公里處的地面加速度峰值。在這樣的地震荷載作用下，結構不進人塑性狀態(tài)是不經濟的。

　　要在結構分析中反映這種非彈性變形，有二種方法：一是根據(jù)結構的動力特性，對結構進行彈塑性分析。二是利用簡便方法，建立彈塑性反應和線彈性反應之間的關系式，對結構進行線彈性分析，求出結構的內力和位移。

　　我們在實際工程設計中是通過建立彈塑性反應和線彈性反應之間的關系來考慮彈塑性變形的，具體說來就是利用結構系數(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。由此確定地震驗算內力，同時其位移則直接按彈塑性位移的要求驗算結構側移。

　　就Arak電站鍋爐構架的情況而言，動力分析方法求得的結構內力、位移同按等效靜力求得的內力、位移進行比較，兩者有很大區(qū)別。某些構件按照動力分析方法求得的內力比等效靜力法求得的內力大1.5倍，位移則要大34倍。

　　按照某種地震烈度進行抗震設計時，在設防烈度地震荷載作用下結構應不發(fā)生破壞，即處于彈性變形階段。在這種情況下應進行組合工況校核，為此目的我們編制了相應的軟件以對結構進行分析。

　　由于決定結構地展響應的因素眾多，而實際的地展荷載是難以準確預見的，因而依據(jù)某種地震荷載（無論是基礎運動還是響應譜分析）進行抗震設計時，抗震驗算都只是必要措施之一，在此基礎之上還得要有清晰的抗震概念設計。在各種抗震措施中，除了應滿足結構對稱性、延展性等一般性要求外，更重要的是根據(jù)動力分析的結果，根據(jù)地震荷載作用下結構獨特的受力特征對結構進行有針對性的加強。