重型锅炉钢结构厂房结构体系研究

Comparing with ordinary high-rise steel building, heavy steel boiler plant is a particular kind of steel structure with obviously different characters in structural arrangement and load patterns, such as equivalent two-way span, floorless, huge vertical load, and huge construction members. The research project is to study the structural system and its mechanical properties with theoretical research, finite element analysis and model experiment at the same time. Firstly, the static analysis of three types of steel structural system for boiler plant, which have been used in actual engineering projects, is performed using appropriate finite element program. The internal force distribution, deformation pattern, and overall stability performance of three structure systems will be carried out and compared with each other. Meanwhile the reliability of finite element analysis and its result will be proved by model experiments. Secondly, through a large number of finite element numerical simulation, the project is to explore the main parameters affecting the mechanical properties of different structural systems, such as the number of columns and arrangement, height between floors and connection form on joints, and then find out their influencing mechanism. The optimization of the structural systems can be discussed based on these study work. finally, different structural analysis method will be used to further study the design theory and method of such structures, and investigate the influence of second order effect on structure and its influencing factors. Then the influence of nodal rigid zone on mechanical behavior of structure and calculation length of members is explored using a combination of both theoretical analysis and finite element simulation.

和普通的高层建筑钢结构相比，重型锅炉钢结构厂房无论在结构布置还是承受荷载方面都有明显不同的特点，如双向跨度相当、无楼板、竖向荷载巨大、主要构件截面尺寸超大等。本项目采用理论研究、有限元分析以及模型试验相结合的方式对该类结构体系及其力学性能进行研究。首先，选取实际工程中应用的三种不同结构体系，采用有限元分析程序分别进行静力力学性能分析，比较结构内力、变形、整体稳定等性能的不同特征。有限元分析方法和分析结果的可靠性通过模型试验进行验证；其次，通过大量的有限元数值模拟，探索影响结构体系受力性能的主要参数如柱子数量、柱网间距、层高、节点连接形式等及其影响规律，在此基础上，探讨最优的结构体系；最后，针对该类结构的设计理论和设计方法，采用不同的结构分析方法进行结构分析计算，考察结构二阶效应的影响及其影响因素，采用理论分析和有限元模拟相结合的方式，探索节点刚域对结构受力以及构件计算长度的影响。

火电厂锅炉钢结构体系是电站的核心组成部分,是生命线工程安全可靠运行的重要保障。锅炉钢结构具有体量大、体系复杂、荷载重等特点,而且其在荷载作用下的反应机制复杂,因此有必要对火电厂锅炉钢结构体系及其力学性能开展研究。.本课题研究在分析总结国内外研究现状的基础上,采用有限元分析、理论研究以及模型试验研究相结合的方式对重型锅炉钢结构厂房结构体系进行研究，主要研究内容包括以下几部分：.1）利用有限元软件对构件和整体结构进行分析。以某一桁架筒体结构体系的实际工程为背景，研究了柱拼接对桁架筒体结构体系的影响。此外，分析了不同杆端约束拼接钢柱构件的整体稳定性能，得到了相应的构件计算长度系数，及拼接位置和拼接刚度对拼接钢柱整体稳定性能的影响规律。.2）利用静力平衡法，推导得到考虑拼接节点影响的压弯构件的稳定函数。将得到的稳定函数在一平面框架中的弹性屈曲及二阶分析中予以应用，通过参数分析及有限元分析验证其有效性和精确性，为整体结构高等分析奠定基础。.3）推导了考虑柱拼接影响的半刚性支撑钢结构层稳定方程，给出了临界支撑刚度的计算方法，并通过算例分析，与有限元分析结果对比，验证了其有效性，分析了柱拼接对结构整体稳定的影响。.4）完成了重型锅炉钢结构厂房结构体系模型试验，对比分析了传统塔式锅炉钢架结构体系和桁架筒体锅炉钢架结构体系的受力性能和破坏机理。.5）桁架筒体结构体系中，支撑是主要受力构件。针对支撑刚度的布置进行了理论计算，计算结果可供重型锅炉钢架结构体系的支撑布置时作为参考。.目前在我国锅炉钢结构行业中，针对这种大型的特种钢结构大多是直接引进国外的结构布置和计算方法。本研究通过有限元数值模拟、理论研究和试验研究，总结了不同的锅炉钢架结构体系的优缺点，研究成果对重型锅炉钢结构厂房结构体系的选择及其设计具有参考价值。