摘要：塔式锅炉是一种悬吊式锅炉，锅炉通过吊杆悬吊在主钢架顶部的大板梁上，锅炉在吊入主钢架后，为防止悬吊的炉体撞击到主钢架，炉体通过止晃装置（导向装置）与主钢架连接。止晃装置限制了炉体在主钢架内的大幅水平向摆动，而不限制炉体沿竖向的移动。
关键词：炉体作用；塔式锅炉；钢结构；抗震性能；
随着我国锅炉设计制造水平的不断提高，越来越多的国家和地区乐于采购中国公司设计制造的锅炉。锅炉钢结构体量巨大，很多国家和地区要求锅炉钢结构必须按照当地的钢结构标准进行设计; 特别在抗震设防地区除了满足结构设计标准外还需要充分考虑当地的抗震设计规范要求。
一、塔式锅炉结构特点
1.总体结构特点。外形上，塔式锅炉相对占地面积小，高度相对较高，一般认为这种“瘦高型”结构不利于整体的抗震。塔式锅炉炉体固有频率较低，远离典型的地震频率，一定程度上有利于提高抗震性。但是考虑安全因素，在实际选址中，塔式锅炉一般不安装在地震风险较大的地区。塔式锅炉采用全悬吊结构，受力方向单一，膨胀自由，没有任何应力集中。悬吊结构规则，支撑结构简单。没有尾部后烟井，也就没有复杂的包覆过热器系统，整个汽水系统比较简单。
2．钢结构特点。常规型炉的钢结构将梁、柱、水平支撑、各平台框架和空气预热器框架做成一个整体，而塔式锅炉钢结构主要包括主体钢架和辅助钢架，同时还包括独立的空气预热器钢架。主框架、炉顶平台、大板梁及其炉顶钢架作为锅炉钢结构中的主钢架，承受锅炉受热面的主要荷载。主钢结构中的筒式框架承受垂直力，同时还传递水平力，其稳定性较强。塔式锅炉所有辅钢架均依附在主钢架的筒式框架上。这使得受热面的吊装可在主钢架安装完毕后就开始，一定程度上节省了安装周期。
二、考虑炉体作用的塔式锅炉钢结构抗震性能
1.分析模型。采用ＡＮＳＹＳ 进行分析，按主钢架内部是否吊入锅炉，建模和分析包括两部分内容．第一部分，主钢架不悬吊锅炉。锅炉的水平地震作用由水平大质量产生，锅炉的重力作用通过在顶部板梁上施加炉体竖向质量实现；第二部分，主钢架悬吊锅炉．在不悬吊炉体模型的基础上建模。建模中，删除考虑锅炉水平地震作用的大质量，因将锅炉吊在顶部的大板梁上，将顶部板梁上的锅炉质量删除。吊入锅炉后，按有、无止晃装置分别进行分析，对支撑钢框架结构内的钢构件，包括钢梁、钢柱和支撑，考虑钢材屈服，采用屈服准则。按要求布置吊杆，因炉体密度沿自身高度并非均布，考虑炉体实际质量分布，沿锅炉高度方向，根据炉体区段密度的不同和考虑止晃分段的需要，虽然炉体内兼有空的和实体的部位，但若按实际炉体内部构造建模需要的单元数量巨大。特别是，实际应用中在悬吊炉体外周围设置了刚性梁，采用刚性梁的目的是为了增强炉体的刚性，以保证炉体变形尽可能小。上述模拟，通过建立吊杆和锅炉，就将锅炉悬吊在高处的顶部大板梁上。因不考虑炉体与主钢架间的止晃装置。水平地震作用下，炉体可在主钢架内自由摆动。
2.抗震性能。一是结构在多遇地震下的响应。将相同地震作用下，不吊入炉体、吊入炉体无止晃、吊入炉体有止晃的结构的响应进行比较，扭转变形很小，因此楼层侧移是以主钢架各层标高处柱节点的侧移给出的，在主钢架每层顶、底标高处的侧移差即为楼层的层间侧移。保证炉体和刚性梁在地震作用下处于弹性，减小变形。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，分析中采用简化建模，不考虑炉体和刚性梁的屈服．而试算分析表明，这些部件的应力也很低．同样，为了保证主钢架能够通过止晃杆很好地对炉体进行止晃，也不考虑止晃杆的屈服。通常的弹性分析假定，对于承受轴心压力的构件( 例如垂直支撑) 在受压发生屈曲失稳时其承载力会瞬间丧失，但根据在地震往复作用下，只要能够控制垂直支撑及其节点不发生局部失稳或断裂，受压的垂直支撑发生类似抗弯构件的塑性破坏。这样的塑性变形使结构具有很好的耗能能力，且这种支撑屈曲后的抗压承载力仍旧可以达到原始承载力的30%。因此，综合考虑拉压支撑的延性能力( 拉杆的毛截面屈服显然是塑性破坏)，能够为整个结构提供较好的刚度和延性，在高烈度地震区有较好的经济性。对于结构层间侧移和楼层侧移响应，无炉体的结构最大，有炉体有止晃的结构与无炉体的结构较接近，而有炉体无止晃的结构最小。另外，使用特殊中心支撑要注意压杆比例不能太高，拉杆承担的地震作用应在30% ～ 70% 之间，柱、梁不能先于支撑出现塑性铰发生破坏。多遇地震下，无炉体的结构主钢架杆件应力较大。表明采用无炉体的结构进行设计稍加偏于安全，在不需要获得止晃杆应力等的分析中，为了简化对炉体吊入等构造的建模，可采用无炉体的简化结构模型。二是止晃杆的轴向应力以１９ ｍ 标高处为例，时刻和其他地震作用下，止晃杆的最大应力绝对值均不超过，这表明，模拟中采用的止晃杆横截面面积以及不考虑止晃杆屈服的做法是可行的，罕遇地震下，因结构的扭转变形较小，在与地震作用方向垂直的方向上布置的止晃杆，其轴向应力较小。这表明，按模拟中止晃杆的横截面或适当增大止晃杆的横截面，采用Ｑ４２０ 或Ｑ３４５ 钢材，均可实现止晃杆不屈服。止晃杆的轴向应力响应表明，多遇地震作用下，止晃杆的应力最大值约１００ ＭＰａ；罕遇地震作用下，止晃杆的应力增大，表明按分析中采用的止晃杆横截面或者稍加增大杆件的横截面，采用较常规的钢材制作止晃杆可行。并且通过不同的承载力抗震调整系数提高构件塑性承载力并用以区分不同构件的延性特性。三是无止晃杆炉体的侧移。因锅炉刚度较大， 选取炉体两个侧面上各４ 个角点，分析这些角点在各地震作用下的侧移，在Ｘ 向和Ｚ 向地震作用下，炉体的最大侧移均小于０．１ ｍ。罕遇地震下，Ｘ 向和Ｚ 向地震作用下炉体的最大侧移均小于０．４ ｍ。炉体的最大侧移出现在Ｆ７ 沿Ｘ 向作用下，角点侧移基本重合。当结构受到沿Ｘ 向或Ｚ 向的地震作用后，炉体在垂直地震力作用方向的侧移响应很小，分析表明，锅炉在多遇、罕遇地震作用下摆动后，不会碰撞到主钢架结构。因此，应用中也可进一步探讨采用吊入锅炉不设置止晃装置的方案。吊入炉体无止晃结构的响应表明，炉体在多遇、罕遇地震作用下摆动后，不会碰撞到主钢架结构。而且，总体上，同一地震动作用下，与吊入炉体有止晃的结构相比，该结构侧移响应较小；二者的应力响应差别不大。因此，应用中除了采用吊入锅炉有止晃的结构方案，也可进一步探讨采用吊入锅炉不设置止晃装置的结构方案，发挥悬吊炉体减震的优越性
在结构中，炉体吊入主钢架中，因有多层限位装置，水平地震作用下，炉体和主钢架间变形相互制约。上述简化方法能否较好考虑主钢架和炉体实际的相互作用，尚不明确。因此，弄清这种简化模拟方法的可行性，以及考虑止晃装置设置的实际情况下，炉体和主钢架相互作用下结构真实的抗震性能，对大型塔式锅炉钢结构的抗震设计和工程应用有重要参考价值。
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论文作者:黄超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
标签：钢架论文; 锅炉论文; 结构论文; 应力论文; 钢结构论文; 作用下论文; 横截面论文; 《电力设备》2018年第18期论文;