锅炉钢架荷载分类及组合工况的研究

范云露 宋永石 梁 烨

（1.河北特种设备监督检验研究院 石家庄 050000）

（2.长江师范学院 机械与电气工程学院 重庆 408100）

锅炉钢架荷载分类及组合工况的研究

范云露1宋永石2梁 烨1

（1.河北特种设备监督检验研究院 石家庄 050000）

（2.长江师范学院 机械与电气工程学院 重庆 408100）

钢架是锅炉的主要承重结构，一般采用重复的设计方法进行验证计算，这种方法不仅耗费大量的时间，而且结果也不够精确，针对此问题重点分析锅炉钢架所承受的各种载荷，对锅炉钢架运行过程中所承受的载荷形式、计算方法进行探讨研究，提出有限元分析过程中载荷的有效施加方式，为达到锅炉钢架设计过程中的高精度快速设计提供了理论依据。

锅炉钢架 荷载 有限元分析

1 锅炉钢架荷载分类

锅炉钢架的所产生的荷载一般是由炉墙、平台、锅筒、各受热面等。一般情况下这些重量先作用在梁上，通过柱再作用于构架的基础，传递到柱上最后被地基所承受。故若要计算钢架梁上的载荷，首先需要计算出作用于钢架上的总荷载。钢架荷载可分为以下列四大类：

风荷载；活荷载；地震作用载荷；恒荷载。

1.1 风荷载

针对一般的锅炉钢架，大多使用拟静力法来处理，即完全可以满足安全要求。首先把风荷载转化为静力，之后和其他类型荷载重新组合加载于钢架之上，将钢架内力与位移求解的方法即为拟静力法[1-2]。

当前，对半露天或露天设备而言，风载荷作用的模拟依旧是一个较困难的问题，常用方法是将设备按照高度分为N（N＞2）段，依次求出各段的总载荷值，继而利用有关软件计算出各段模型的节点总数，之后求出各节点所承受的力的数值。由于每段承受的载荷值为定值，所以并不能真实、实时的模拟出风载荷，故N值的大小，就影响着风载荷的作用，N值越大，模拟就越贴近真实，计算出的结果也就更加可信[3]。

按照《锅炉钢结构设计规范》算出施加荷载的大小后按常规外载荷将其加载到迎风面，算出稳定的风压。按式（1）计算钢结构表面上的风荷载值。

式中：

ωK——风荷载标准值，kN/m2；

βZ——高度Z处的风振系数；

μS——风荷载体型系数；

μZ——风压高度变化系数；

ω0——基本风压， kN/m2。

1）风压高度变化系数μZ

风压高度变化系数μZ参照地面粗糙度类别加以确定[4]。地面的粗糙度分类见表1。需要注意的是此种方法只用于建在非山区的锅炉钢架[5]。

表1 地面粗糙度类别

风压高度变化系数可由相关标准查询得到，但考虑其他因素的影响，其系数也可按表2中的公式计算得出[6]。

表2 风压高度变化系数公式

2）基本风压值ω0

基本风压值与风速直接关联，一般计算风压值按照“V2/1600”，其中V是风速。此外参照建筑结构荷载规范[7]，基本风压需大于0.3kN/m2。

3）风荷载体型系数μS

锅炉钢结构风荷载体型系数按照GB 50009—2012中规定，本文案例中的钢结构为矩形，运用拟静力计算方法，选择的风荷载体型系数如图1所示。

4）风振系数βZ

钢架结构在平均变形位置附近会有左右摇摆的现象，这是由于建筑物受到风压的作用会发生形变增大脉动风荷载所导致的结果。计算建筑物风振系数见式（2）：

图1 风荷载体型系数

式中：

ξ——脉动增大系数；

υ——脉动影响系数；

ψZ——振型系数；

μZ——风压高度变化系数。

1.2 活荷载

一般情况下，锅炉在运行过程中所产生的荷载属于活荷载，此外，作用在楼梯上以及安放在平台上的设备均作为活荷载。

1.3 地震作用载荷

对钢结构做有限元分析时，处理地震作用载荷的方法包含如下几类[8-9]：

1）按惯性力处理地震作用载荷

计算地震作用载荷时，把建筑物假设为一个刚性体，使其运动特性与地面的运动特性达到一致，且最大加速度和地面的最大加速度相等即按惯性力处理。依照式（3）计算水平地震最大加速度：

式中：

amax——水平地震最大加速度；

αmax——最大水平地震影响系数，按表3取值；

g——为重力加速度，g=9.8m/s2。

表3 最大水平地震影响系数取值

利用相关软件计算分析有限元时，可采用取风荷载与地震作用荷载组合最大值的方法，将钢结构的质量密度与地震作用的最大加速度依次输入相关变量。

2）将地震作用载荷按底部剪力法处理

采用底部剪力法计算地震载荷作用，式（4）简化为：

式中：

αmax——最大水平地震影响系数，按表3取值；

GK——构件重量；

A——作用面积。

算出震作用力后继续在结构节点上做有限元的静力分析[10]。

3）将地震作用载荷按时程分析法处理

将地震作用载荷按时程分析法处理就是对结构的运动方程逐步积分，计算出钢架结构在地震作用时的振动状态及钢架的变形和内力。故此法亦称为动力分析法或直接积分法[4]。其求解过程如图1所示。

图2 时程分析过程图

4）地震作用载荷按反应谱理论处理

反应谱理论即将地震作用视为“静力”，把反应谱与模态分析结果联合到一起，计算位移和应力的准动力分析技术。分析过程如图3所示。

图3 谱分析过程图

1.4 永久荷载（恒荷载）

钢架的自重、内应力等均作为永久载荷，永久荷载值一般情况下不随时间变化而改变。

2 荷载组合

综上所述，四种载荷可带入公式计算的包括活荷载和恒载荷，其余两种载荷则按有限元分析法进行加载。其中恒荷载采用标准值，活荷载既可采用标准值亦可以采用组合值。在有限元计算分析过程中，各种荷载施加方式可整理见表4。

表4 荷载施加方式汇总

3 结论

基于对锅炉钢架的结构形式，对钢架所受荷载的施加方式，提出以节点力进行施加的方法，可以更加贴近真实值。

锅炉钢架上经常作用的风荷载、活荷载、地震作用载荷、恒荷载的概念、计算方法以及在有限元分析时载荷的施加方式，可方便地在编程中实现具体载荷的计算。此外，还可以研究探讨无地震作用时组合工况和有地震作用的组合工况[11-12]。

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Study on Load Classi fi cation and Combination Condition of Steel Frame in Boiler

Fan Yunlu1Song Yongshi2Liang Ye1
(1. Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Institute Shijiazhuang 050000)
(2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Yangtze Normal University Chongqing 408100)

The steel frame is the main load-bearing structure in boiler. The general design method is repetitive verifying calculation, which is not only time consuming, but also not accurate for the result. To solve these problems,this paper focuses on the analysis of various loads of steel frame in boiler, and discusses the loading forms and its calculation method of the boiler steel frame in running process, puts forward an effective way of applying load fi nite element analysis, and provides a theoretical basis for the high precision design of boiler steel frame.

Boiler steel frame Load Finite element analysis

X933.2

B

1673-257X（2017）10-0024-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.006

范云露（1988～)，女，硕士，从事压力容器检验工作。

范云露，E-mail： 283328839@qq.com。

2017-03-27）