空冷凝汽器支架典型钢结构节点的承载力数值计算

彭伟，宋志强，连霞

（1.中国大唐集团科技工程有限公司，北京市，100097；2.北京创毅力源工程技术咨询有限公司，北京市，100025）

0 引言

2007年底，我国火电空冷机组装机容量约为23.59 GW，占火电总装机容量的4.25%，到2015年，空冷火电机组装机容量预计达100 GW，占火电总装机容量的12%[1]。在单机容量方面，计划于2011年建成投产的灵武发电公司二期工程2台1 000 MW超超临界空冷机组，是世界上首座1 000 MW超超临界空冷机组[2]。与火电空冷机组装机容量、工艺水平和工艺设备的高速发展相比，作为空冷设备主要支持系统的空冷支架结构设计相对滞后，国内研究者对空冷凝汽器支架结构的研究也比较少。文献[3-4]对空冷凝汽器支架结构钢筋混凝土管柱和钢桁架节点的抗震性能进行了试验研究；文献[5-6]借助ANSYS建立了空冷凝汽器支架结构整体有限元模型，对结构的整体受力性能进行了数值研究。本文以支架结构节点为研究对象，对节点的应力、应变状况进行非线性数值分析。

1 节点的计算模型

空冷凝汽器支架下部为钢筋混凝土管柱，上部为纵横交叉钢桁架。本文取支架下弦节点为分析对象，该节点是凝汽器支架的承重节点，下部作用在钢筋混凝土管柱上，上部分别通过高强度螺栓连接横向桁架和纵向桁架的下弦杆及斜腹杆，由多块钢板和加劲肋焊接而成的强刚度节点，构造复杂。

直接采用ANSYS Preprocessor前处理器建立节点的三维实体模型，如图1所示。实体模型中不考虑焊缝的影响，采用等强原则，将腹杆与端板直接连接，这样可以省去分析螺栓而需要添加的接触单元和预紧单元，提高计算效率，节点的受力状态和实际情况相差不大。采用solid45单位对节点进行网格划分，考虑实际的计算能力和精度要求，以及节点钢板的最大厚度为50 mm，故控制单位尺寸为50[7]。这样，钢板沿厚度方向上只有1排网格，这种划分的缺点是不能反应沿厚度方向上的抗弯性能，但对于薄壁构件，这部分弯矩很小，可以忽略不计。节点计算中采用的设计荷载取自3d3s软件对结构整体分析的结果，如图2、3所示。

2 节点承载力计算

4根斜腹杆与节点铰接连接，只承受轴向力，杆件荷载以面力形式施加。水平方向4根下弦杆同时承受轴力、剪力、扭矩和弯矩，将荷载分别加载在截面nodes上比较困难，且不准确，因此引入端面刚域进行加载[8-10]，如图4所示。即先将杆件端部的工字型截面上定义1层shell63单元面，利用这层面上的node设置主节点和从节点，使从节点的变形与主节点相同，然后在主节点上施加荷载，通过刚域将力和力矩传到构件上。

图1 节点的有限元模型Fig.1 Finite element model of joints

图2 3d3s节点模型Fig.2 Joint model of 3d3s

图3 3d3s 杆件单元Fig.3 Member element of 3d3s

图4 断面刚域加载方式Fig.4 Loading mode of section rigid zone

本文采用双线性随动强化准则来描述钢材的应力、应变属性，同时采用牛顿-拉普森平衡迭代克服在非线性求解过程中的荷载增量积累的误差。为了使节点达到破坏状态，在节点杆端施加2倍的设计荷载，定义1个荷载步，100个荷载子步，关闭自动步长调整选项，使得每一荷载子步固定为0.02倍的设计荷载值。

3 算例分析

在时间历程后处理器中定义变量，分别储存节点垂直腹杆、横纵向斜腹杆、横纵向水平腹杆以及节点域的Von Mises等效应力最大值，以时间为横轴，绘制节点Von Mises等效应力随时间的变化图，如图5所示。

图5 斜腹杆、垂直腹杆、水平弦杆和节点域等效应力随时间变化曲线Fig.5 Curve of equivalent stress of diagonal web member, vertical web member, horizontal chord member and joint region vs. time

由图5可看出，纵向斜腹杆的Von Mises等效应力时间曲线斜率最大，表明其应力极随荷载的变化最快，杆件率先出现塑性区域，屈服荷载为第53子步对应的荷载，即1.06倍的设计荷载。其次为横向斜腹杆，在第80荷载子步进入塑性状态。节点域的Von Mises等效应力时间曲线斜率最小，表明其应力极值变化最缓，将会在各杆件屈服后最后达到屈服。节点在84荷载子步下有限元计算出现不收敛现象，节点发生破坏，破坏荷载为设计荷载的1.68倍。节点在屈服荷载和破坏荷载作用下的节点应力应变如图6～10所示。

图6 屈服荷载作用下节点等效应力Fig.6 Equivalent stress distribution of joint under yielding load

图7 屈服荷载作用下节点位移图Fig.7 Displacement of joint under yielding load

图8 斜腹杆连接板应力集中云图Fig.8 Stress concentration of connecting plate of oblique web member

图9 破坏荷载作用下节点等效应力图Fig.9 Equivalent stress of joint under failure load

图10 破坏荷载作用下节点位移图Fig.410 Displacement of joint under failure load

节点在屈服状态下的节点应力、应变云图如图6、7，由此可以看出，节点各杆件应力相对节点域比较大，各杆件的应力状态与其承受的杆端内力有关。节点出现塑性的区域首先出现在斜腹杆与节点板的连接处，属于局部应力集中（如图8），并随着荷载的增加，应力会重分布，塑性区域会逐渐增大。在破坏荷载作用下，节点杆件和节点域的应力都明显增大，节点纵向杆件全截面达到屈服应力，杆件发生大变形，无法满足正常使用要求。

4 结论

（1）由节点Von Mises等效应力时间曲线和节点在破坏荷载下的应力云图可以看出，随着荷载的增加，节点域的应力增加缓慢。当纵向杆件完全进入塑性状态时，节点域的应力极值很小，只有约110 MPa，体现了“强节点、弱杆件”设计原则。

（2）节点在设计荷载作用下，即第50荷载子步时，节点域应力极值为67 MPa，杆件应力极值为212 MPa，满足承载力要求。虽然屈服荷载只有设计荷载值的1.06倍，但是属于局部塑性屈服，内力重分布使得破坏荷载达到设计荷载的1.68倍，从而使得结构具有足够的安全储备。

（3）节点在破坏荷载作用下，整个节点的变形小，节点位移较小，有限元分析中可不考虑几何非线性。

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