空冷凝汽器钢结构A 字形钢架节点有限元分析

李　鹏

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京　100097)



空冷凝汽器钢结构A 字形钢架节点有限元分析

李鹏

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京100097)

摘要:采用ANSYS有限元分析软件，建立了太原某电厂空冷凝汽器钢结构模型，对A字形钢架节点构件及加劲肋进行了模拟，分析了钢架节点在最不利工况下的应力和变形情况，为空冷凝汽器结构的节点设计提供了依据。

关键词:空冷凝汽器，A字形钢架，节点形式，有限元分析

0　引言

直接空冷技术是火电厂在运行过程中，燃煤锅炉生产的高温高压水蒸汽经大直径排气管道输送到空冷凝汽系统的换热管束里，空气在轴流风机的驱动下，穿过翘片管束的翘片间隙，从而将翘片管束内的蒸汽冷凝为冷凝水，使其在重力作用下回流至凝结水箱，进入下一个工作循环。

管束由A字形钢架支承，A字形钢架由下部正交钢桁架支承;A型支架作为冷凝器(管束)的直接支撑结构，其刚度对管束及上部纵向蒸汽分配管道的变形及内力影响较大。地震作用下，由于A型架为空冷支架结构重量的主要集中部位，也是地震作用的主要受力部位。总体结构模型见图1，单榀A型架见图2。

图1　总体结构模型

图2　单榀A型架

1　节点形式

在A字形钢架顶部有两种结构形式，一种是斜杆位于工字型钢主梁中部，在相交处添加腹板。斜杆也为工字型钢焊接而成，因此在此分析中称为H型节点，节点形式如图3a)所示。第二种情况，斜杆位于工字型钢主梁的端部，两根主梁在端部用端板铆接。斜杆使用双支槽钢，在此分析中称为C型节点。节点形式如图3b)所示。使用ANSYS有限元分析软件前处理器建立三维实体模型，由于在设计荷载作用下，材料均处于弹性阶段，焊缝对模型分析结果影响不大，因此在建模时不考虑焊缝和螺栓连接，将所有杆件和板材直接连接。所建模型如图3所示。使用Solid45单元对节点模型进行自由网格划分，打开智能尺寸开关，精度设置为9，使节点杆件连接处的单元划分更加精细，达到更好的分析效果。

2　有限元分析

2．1H型节点

1)受拉H型节点。节点计算中采用的设计荷载取自3D3S软件对太原某电厂空冷结构整体分析的结果。在整个空冷凝汽器A字形钢架顶部的H型节点中有一部分节点的最不利作用力为拉力。由于节点位于工字形梁中部，在沿梁方向认为刚度较大，在分析时将梁的剖面作为固端，主要分析节点在斜杆荷载作用下的受力情况，忽略主梁受力。在ANSYS中将轴力转换成面荷载后施加到斜杆上。

图3　A型架顶部节点结构形式

使用ANSYS有限元软件对受拉最大节点3008进行静力分析，节点应力云图如图4a)所示。

图4　拉力作用下3008节点分析结果图

节点整体受力较小，应力分布比较均匀，受力最大处位于上部主梁底部与其一侧板材的交接处。在荷载作用下，连接板的自由端将随斜杆向下移动，使得板材绕固端向下转动，固端与工字形梁发生挤压，造成较大的局部应力。其值为138．223 MPa，远远小于钢材屈服强度。节点变形如图4b)所示，在受力较大一侧的斜杆变形较大，节点整体变形较小，节点稳定。

图5　压力作用下2012节点分析结果图

2)受压H型节点。节点2012受到最大压力作用力，两支斜杆分别受到-353．9 kN和-175．4 kN的作用力。ANSYS静力分析结果如图5所示。

与受拉节点类似，节点整体受力较小，应力分布比较均匀，受力最大处仍然位于上部主梁底部与其一侧板材的交接处。在荷载作用下，连接板的自由端将随斜杆向上移动，使得板材绕固端向上转动，固端与工字形梁发生挤压，造成较大的局部应力。

2．2C型节点

结构中的C型节点主要受到压力，其中节点3040受到的作用力最大，选为研究对象。ANSYS静力分析结果如图6所示。

图6　设计荷载作用下3040节点应力云图

由于施加的荷载方向相反，大小相近，因此应力和变形均呈对称分布。节点应力最大处位于工字形主梁下方槽钢转角处。由于构造原因出现了应力集中，见图6a)，最大应力为159．1 MPa，小于钢结构的屈服强度。由于双支槽钢构件由两支槽钢通过连接板组合而成，相较于型钢，单肢槽钢整体稳定性有削弱，因此节点位移较大，如图6b)所示。可在槽钢内设置加劲肋，增强构件稳定性。

3　结语

1)本文将空冷凝汽器A型架两类节点进行有限元实体分析，分析模型与实际制造成品一致，除构件外，加劲肋布置均按照最终施工图建模。模型能够细致和全面的反映节点受力的实际情况。将3D3S整体分析具体化，精细化。为设计员展示最直观的计算结果。2)两种节点在最不利组合产生的荷载作用下产生的应力均小于钢材屈服强度，节点布置形式，加劲肋等构造措施合理科学。3)H型节点在型钢构件的转折处出现应力集中，并且在加工过程中用焊接连接。因此构件必须保证熔透焊，同时严格控制焊缝质量。也可以在转折处加设加劲肋，增加安全储备。对于C型节点，可在槽钢构件中等间距设置加劲肋，增加槽钢刚度，减小构件变形。

参考文献:

［1］赵更歧，白国良，赵春莲，等．三款空冷支架结构体系动力特性测试研究［J］．世界地质工程，2009，25(4):59-60．

［2］代慧娟．钢桁架——伞撑空冷支架结构体系抗震性能试验与设计方法研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2013．

［3］刘林．空冷凝汽器支架结构性能与地震反应分析［D］．西安:西安建筑科技大学，2007．

On finite element analysis of A-shaped steel frame of air-cooled condenser

Li Peng
(Datang Environment Industrial Group Co．，Ltd，Beijing 100097，China)

Abstract:The paper adopts the finite element analysis software ANSYS，establishes the air-cooler condenser steel structural model of some power plant in Taiyuan，simulates the A-shaped steel frame joint components and stiffening rib，and analyzes the stress and deformation of the steel frame joints under unfavorable conditions，so as to provide some reference for the joint design of the air-cooler condenser．

Key words:air-cooler condenser，A-shaped steel frame，joint form，finite element analysis

作者简介:李鹏(1982-)，男，硕士，工程师

收稿日期:2015-10-28

文章编号:1009-6825(2016)01-0059-02

中图分类号:TU311．41

文献标识码:A