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1、第3 6 卷增刊建筑结构 2 0 0 6 年6 月 大型火电厂空冷主支撑结构动力特性分析 朱佳宁白国良李红星 ( 西安建筑科技大学土木工程学院7 1 0 0 5 5 ) 提要 火力发电厂主支撑结构具有跨度大、高度大、悬挑长度大、动力设备多和构造连接复杂的特点。 采用有限元方法对空冷凝汽器主支撑结构进行模态分析和风机扰力作用下的谐响应分析，在结构振动特性 的基础上，提出了有益的见解。 【关键词空冷凝汽器主支撑结构动力特性模态分析谐响应分析 D y n a m i cC h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i so fM a i nS u p p o r lS
2、 t r u c t u r eo fA C C Z h nJ i a n t h g ，B a lG u o l i n n g 。L iH o a g x a g ( S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，X i a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 。X i a n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A i r 。c o o l e dc o n d e n s e r ( A C C )
3、 t e c h n i q u eh a s w i d ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dg o o dp r o s p e c t i np o w e rp l a n t o fo u rc o u n t r y T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i ns u p p o r ts t r u c t u r eo ft h eA C Ci n c l u d eg r e a tp a nl e n g t ha n dh e i g h t ，l o n g e
4、 r c a n t i l e v e r ，l a r g en u m b e ro fp o w e re q u i p m e n ta n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r a lc o n n e c t i o n M o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i ca n a l y s i so ft h em a i ns u p p o r ts t r u c t u r eo fA C Ci sm a d eb yF E Am e t h o d s T h ed y n m m i c
5、c h a r a c t e r i s t i c so f t h i ss t r u c t u r ea r e a n a l y z e da n ds o m ev a l u a h hs u g g e s t i o n sa r ep u tf o r w a r d K e y w o r d s ：m a i ns u p p o r ts t r u c t u r eo fA C C ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i ca n a
6、 X y s i s 空气冷凝器主支撑结构为电厂结构的重要设施， 是大型火力发电厂正常运转不可缺少的环节。而迄今 为止对空气冷凝器支架结构的研究在国内尚属空白， 我国目前所采用的为数不多的空气玲凝器支架结构太 部分为国外设计”1 。空气冷凝器支撑结构的主要特点 是结构跨度大( 2 4 m 左右) ，高度大( 3 0 m 以上) ， 上部设备重量太，并且有很多动力设备；由于风机是 低频运转的，目前设计时均按静力设计，扰力对整体 结构的影响没有考虑；结构连接复杂，下部采用大直 径钢筋混凝土空心管柱( 直径3 m 以上) ，上部为交 叉钢桁架，连接构造极其复杂；支架结构悬挑长度 大，一般在1 0 m
7、 以上；结构施工难度大，主要表现在 钢筋混凝土管柱的施工和空间钢桁架节点的施 工上1 。 在满足工艺条件和结构可靠性基础上，消化和改 进结构设计，使设计和施工适合中国国情并不断有所 创新，是急需解决的问题。 1 基本奠横 参考实际工程设计如图1 ( a ) ，对某电厂空冷 主支撑结构平台构件截面选择H W 和H M 系列型 钢。在不影响整体结构特性基础上对结构进行相 对简化处理以方便有限元建模和计算”1 。结构平 面布置如图1 ( b ) 。柱子高度一般从基础顶面取 至结构平台底面，总高度为3 4 1 m ，柱子为钢筋 混凝土空芯管柱。空间钢桁架高度取为59 m 。桁 架各构件、风机桥杆件单元
8、和混凝土柱均采用梁 单元B E A M 4 模拟。 材料本构模型选择：混凝土采用线弹性模型， E 。= 2 5 1 0 N r a m l ，p 。= 0 1 7 ，P 。= 24 5 0 k g m ；钢 材采用线弹性模型，E 。= 2 0 5X1 05 N r a m 2 ，p = 0 3 0 ，P 。= 78 5 0 k g m 4 。建立的A N S Y S 有限元计算模 型如图1 ( c ) 。 2 横态分析 为了能更真实地反映结构特性，采用三维线弹性 有限元模型对结构进行精确模拟”1 。采用A N S Y S 智 能网格划分器进行单元划分，共得到1 82 8 0 个 B E A M
9、 4 单元。由于模型单元数和节点数较多，故采 用L a n c z o sB l o c k 法进行模态提取，共提取前2 0 阶模 态形式进行结构特性分析。 模型计算所得的前2 0 阶结构自由振础频率如表1 所示。模型结构前三阶振型图见图2 。 由A N S Y S 有限元模态计算结果可知：一阶振型 为z 向振动，二阶为扭转，三阶为J 向振动，后期显 示出局部杆件的振动，如上部三角架和风机桥架的振 动等。 结构的基本周期为1 3s ，和实际情况基本吻合， 结构整体的抗扭因跨数多而刚度较大。由于结构悬挑 部分较长( 超过1 0 m ) ，中间跨度较大( 超过2 0 m ) ， 各阶振型中都包含了
10、桁架平台自身振动的情况，设 计时应加以考虑。这也说明抗震规范中规定太跨、长 6 8 1 ( a 1 主直掉绮冉花工田 l 震互 阳1 平面布置圈r c ) 计算模型 图I 结构计算模型 结构自由摄动频率( H z ) 裹1 悬臂结构要考虑竖向地震作用是合理的。结构各阶振 动频率比较接近，与常规建筑相比不同( 如民用建筑 同一方向高阶频率一般为低一阶频率的2 3 倍) 。 3 谐响应分析 3 1 基本工况布置 6 8 2 ( a )- 阶振型 腻机的挠力就是由于旋转部分的质量对转轴中心有 偏心距而在旋转过程中产生的离心力，根据实际的 风机技术性能参数确定。考虑风机扰力沿X Z 平而 和竖向( Y
11、 向) 同时作用的最不利组台，在风机作 用点三个方向上施加8 1 2 4 N 的激振力，未考虑相 位差的影响，激振力是按简谐荷载工作的。结合模 态分析所得到的结构频率大小和风机运行最小的工 作频率可确定所施加激振力的频率范围为0 1 0 H z 。在这频率范围内，共分1 0 0 个荷载子步进行 分析。在A N S Y S 有限元分析中，共有三种方法进行 谐振动分析，即完全法、模态迭加法和缩减法。模 型采用精度较好的完全法进行分析。按风机开启运 行工况，选取不同步骤中的运行组合( 正、反转) 并进行对比分析。 3 2 计算结果 对不同组合风机扰力在各种工况下的谐反应进行 计算，并对部分节点绘出了
12、谐反应时程曲线以进行对 比分析。限于篇幅，只列出了全开启运行的部分结果 ( 见图3 ) 。下列各工况节点位移时程衄线图中U 。表 示横向位移幅值，U ，向表示竖向位移蜡值，也表示 纵向位移幅值。横轴为响应频率范围( H z ) ，竖轴为 位移响应幅值( m ) 。 综合各种工况下的结果可以看出：各个工况下 节点同向响应的图形趋势均相同。在平面内，上下 弦节点各个方向的位移反应均相同，说明结构整体 刚度比较合理。在各种工况下，各节点在x 向响应 图形一致，上下弦反应也相同；x 向反应峰值仅在 低阶频率处最大。各轴节点z 向的反应和响应频率 段均相同。反应峰值在低阶( o8H z ) 和高阶频率
13、( 1 9H z ) 附近均有较大响应。随着激振力的增加， x 向。Z 向的响应幅值基本成线形增大。各节点Y 向响应峰值最小，只有X ，Z 向的一半，说明竖向 激振力对该结构悬挑边缘节点的影响较小。各轴节 点y 向反应峰值由于竖向约束的不同，各节点反应 有较大差* ，而且发生共振的频率段较宽( 2 5 5 H z ) 。在风机反转的情况下的计算表明，响应的大 ( b )二阶振型 圈2 前三阶段型图 枇啭闲m 娜鼎【隅1 n y ( c )三阶振塑 J I I I l J ，l ， 、 - 、l j 一 ( a ) 轴上弦节点z 向 f I I _ f J、 L ， u ， 、 ( d ) 轴匣
14、) 上弦节点z 向 n l _ 1 I ，1& I盟巴k JU，1 w m ( b ) 轴 上弦节点Y 向 一 f Jl ，II ，、 L卧M，L I，n X 、 J I， 1。 _ ； ( c ) 轴芭扯弦节点y 向 圈3 垒开运行的部分结果 小主要由同一方向扰力的大小决定，与开启风机数 量增加关系不大。 4 结论 分析了某电厂空冷凝汽器主支撑结构的基本动力 特性，可为进一步的分析提供研究基础。结果表明结构 整体剐度合适，风机扰力对结构的影响较小，但应注 意构件的疲劳破坏。计算模型进行了多处简化，对上 部结构空间整体刚度有影响，但对悬挑部分杆件影响 不大，更详细的结论有待试验研究和更深入的分
15、析。 考文献 1J 赵旺韧空玲发电有利于西部犬开发 J 节能，2 0 0 0 - 田z I l _ 一 “ I I fI J t Jt j， ( c ) 轴上弦节点Z 向 I I 嘲啦 I I I fL J、 fIl ，p L 1 # $ 口埘 ( f ) 轴垣扯弦节点Z 向 ( 9 ) ：3 7 2 孔昭文单排管凝汽器在直接空冷电站中的应用俺介 J 内鼗古电力技术，1 9 9 8 ，( 6 ) ：4 0 。4 4 3 赵风山岳建华，石维柱国外大型空冷发电技术及其应用 对我区电力工业发展的启示 J 内蒙古电力技术2 0 0 2 ， 加( 1 ) ：1 4 4 王佩璋我国6 0 0 M W 火电机组直接空玲技术的开发与研究 【J 电力建设，2 0 0 2 ，2 3 ( 7 ) ：5 8 5 王佩璋王芳空冷散热器厦其装置在火电厂上的应用与效 果【J 电站辅机，2 0 0 0 ( 1 2 ) ：3 3 3 6 6 白国良，李红星，陈爱国等某生产厂房动力特性浏试及加 固敷果评估 J 世界地震工程，2 2 ( 3 ) ：3 3 9 3 4 1 6 - 8 3 目f d 萄# S 目f g 目# 目f
