学文网【摘 要】本文针对火力发电厂的锅炉承重的重要构件之一的大板梁钢结构的组成部件和螺栓的受力模式进行简单的研究，从而对类似项目起到指导的建议。
【关键词】大板梁；钢结构；火力发电厂；螺栓拼接
引言：
在我国的火力发电厂中，为了能够悬挂炉体等一些重量大的设备，比较频繁使用重型钢结构大板梁来作为主要的承重构件。因为大板梁的承载能力要在几万吨之上，大板梁的稳定性将直接的制约锅炉是否能够稳定运行。但随着百万千瓦级发电机组引进运行，配套的大板梁设计研究相对滞后，对超大尺寸板梁的设计和优化研究很少.由于大板梁跨度大、截面高，出于制作、运输和安装等考虑，大板梁通常采用沿长度分段、沿高度分层、并在现场使用高强螺栓进行拼接的方法，因此大板梁叠接和拼接方法成为结构设计的重点和难点。大板梁属于深梁，其应力和应变不同于普通钢梁，同时在深梁中大量布置的加劲肋亦会影响梁腹板应力与应变的分布，设计中应重点关注。
一、大板梁的结构组成和单元模型
大板梁是由上层板梁支座段、上层板梁跨中段、加劲肋、拼接螺栓、下层板梁和支座端板组成。上下两层在翼缘位置使用高强螺栓拼接，上层梁又分为三段并通过端板使用高强螺栓拼接，为保证主板梁的稳定性，利用辅助板梁对主板梁进行加固处理，主辅板梁之间除共用上翼缘外，腹板上还有横向加劲肋连接。为使次梁内力在主辅板梁之间均匀传递，并避免主辅板梁之间的纵向错动，将上层板梁的加劲肋做成与腹板倾斜的形式。
充分考虑对称性，在大板梁端部施加铰接约束，在跨中设置刚性面，并约束其转动自由度，放松平动自由度。根据次梁位置，对大板梁设置面外侧向支承点。使用 Abaqus 中的四节点缩减积分双曲壳单元 S4R 模拟板梁的各部分板件。钢材使用双线性本构关系，弹性模量 E=206000MPa，切线刚度取 0.005E。大板梁跨度大、截面高、连接板件复杂，要准确反应细部位置的应力和各连接螺栓的应力或内力的变化规律，连接螺栓附近关键区域的板件网格尺寸限制在50-60毫米之间，非重点区域不超过 200毫米。
采用模拟高强栓，在不增加很多单元数量的基础上，较为准确地模拟螺栓内力。每个螺栓使用一个连接单元。第一个水平段代表摩擦力被克服后的滑移，对应于板件摩擦力；第二个水平段代表螺栓剪切屈服后的塑性滑移，对应于螺栓剪切屈服承载力。螺栓滑移前弹性段刚度 K1可近似取无穷大，栓杆受剪时刚度 K2按其实际取值。被连接板件之间的摩擦力影响区域可以根据单元网格尺寸、板件厚度和螺栓直径等因素定义。在叠接和拼接位置设置刚性接触对单元，由于摩擦力已在螺栓模拟中予以考虑，故定义接触对之间无摩擦。
二、方法优化后大板梁的应力和变形结果分析
大板梁的应力分布最大应为169MPa，出现在下层主、辅板梁的跨中受拉翼缘处和上层主板梁支座区格的腹板处，符合梁的受力模式，分别对应着最大弯曲应力和最大剪应力位置。由于大板梁的所有内部加劲肋均未出现局部失稳和明显的面外变形，故主要关注应力结果。上层板梁加劲肋一方面可以起到传递主板梁上剪力的作用，使辅助板梁能够与主板梁协同竖向受力；另一方面它们把上层的主辅板梁的腹板分割成了若干较为均匀的区格，起到减小腹板高厚比、限制局部屈曲的作用。故上层板梁加劲肋应力大于下层，且靠近支座处的上层斜肋应力最大，越靠近跨中应力越低。
给出了大板梁的整体变形***，其中跨中最大竖向变形为24.18mm，为梁长的1/1280，说明即使是在偏于保守取值的竖向罕遇地震作用下，优化后的板梁挠度依然可以维持正常使用。主板梁腹板的平面外没有明显的峰值变形，而辅助板梁腹板有两个区域（*** 7 中的A、B 两点）具有局部变形的峰值，分别为+0.2649mm 和-1.031mm。此变形与板块区格的较小宽度的比值仅为 1/7387 和 1/3750，尚未超过施工、安装等板件平整度的允许值要求，完全可以满足使用功能。
三、大板梁叠接处螺栓分布的实际情况
使用沿梁长分布在腹板两侧的 2排高强螺栓对上下层辅助板梁的翼缘进行叠接，上下层主板梁在距离支座 5950mm 的范围内使用腹板两侧的共计 4 排高强螺栓叠接，此范围之外使用 2 排高强螺栓叠接。
在整个辅助板梁和主板梁距支座 5950mm 以外采用的2排高强螺栓进行叠接的位置对称的分布在翼缘上，所以，两排螺栓所受剪力基本相当。而主板梁的 4 排叠接螺栓处，靠近腹板的 2 排螺栓内力明显大于远离腹板的 2 排，比值约为 2.0 倍。原因是板梁叠接翼缘板上与该位置的腹板具有互等的剪力，此剪力由翼缘中间向两侧传递，并最终传给螺栓，使翼缘板产生纵向微小剪切变形，从而在多排螺栓中形成“剪力滞后”效应，即靠近腹板的螺栓因剪力传递路径短而受到的剪力较大、远离腹板的螺栓因剪力传递路径长而受到的剪力较小。这种同截面上螺栓受力不均现象可以通过增大叠接翼缘板厚度的办法予以削弱，但无法完全消除，设计中应予以考虑。由于本文分析模型在优化前后翼缘板均较厚，且螺栓剪力水平较低，对设计没有明显影响。但若螺栓按满内力设计、未考虑这种不等分布的性质，可能会造成远离腹板的螺栓尚未达到内力设计值时，靠近腹板的螺栓过早的发生破坏，形成安全隐患。
结束语：
为了能够更好地分析大板梁的实际受力状态，可以在几何和材料非线性、接触非线性和螺栓的滑移、剪切屈服等非线性性能等一些方面进行考虑，大板梁结构原型的应力、变形和螺栓剪力等指标均有较大安全富裕和优化空间。优化板件厚度后的大板梁用钢量降低了 13.8%，但仍能满足应力、变形等设计指标，各组成板件均未出现局部屈曲。梁内最大应力出现在下层主、辅板梁的跨中受拉翼缘处和上层主板梁腹板支座区格处，主辅板梁之间的加劲肋应力不大，但对于维系主辅板梁的协同工作至关重要。上下层叠接处螺栓受剪力呈梁端大、跨中减小的趋势，板梁一半翼缘上使用多排螺栓时，存在剪力滞后现象，靠近腹板的螺栓受力最大，远离腹板的螺栓受力较小。以上就是我对大板梁钢结构作为火力发电厂的锅炉承重的重要构件的简单认识。
参考文献：
[1] 何佩敖， 张爱民等. 电站锅炉大板梁的设计和结构[J]. 电站系统工程. 2014（3），pp1-7.
[2] 沈雪茹， . 百万等级火电厂锅炉大板梁有限元分析[J]. 锅炉技术. Vol.39，No.6，2008，pp18-21.
[3] 姜友荣， 冯跃志. 600MW 机组锅炉岛大跨度大断面叠合式大板梁制造技术[C]. 中国钢结构协会第五次全国会员代表大会暨学术年会论文集. 北京，2013，10，pp119-122.
[4] 马炜言， 王庆祥. 大型电站锅炉大板梁叠合面连接设计探讨[C]. 中国钢结构协会锅炉钢结构分会论文集（第三期・2012 年），pp25-29.
[5] 王萌， 孙洪鹏， 石永久等. 锅炉大板梁工程应用及其设计软件开发[J]. 钢结构 2008 增刊（钢结构工程研究⑦），2008，pp493-500.
[6] AISC（2005）， Specification for Structural Steel Buildings[S]， ANSI/AISC 360-05. American Institute of Steel Construction，Chicago，IL.，2005.
[7] GB50011-2001 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
转载请注明出处学文网 » 大板梁钢结构作为火力发电厂的锅炉承重的重要构件