基于STAAD的室燃锅炉钢结构分析方法研究

郑晓波

(华西能源工业股份有限公司，四川 自贡 643000)

STAAD软件具有可视化、友好的用户界面，以及强有力的分析以及设计功能等特点，在国内电力设计院、锅炉装备制造等行业得到了广泛应用。利用STAAD软件建立室燃锅炉钢结构力学模型，并对钢结构进行整体受力与稳定性分析，仅考虑材料弹性阶段的分析方法主要有一阶弹性分析和二阶弹性分析。合理的分析策略及分析方法的选择对保证分析结果的正确性和结构的安全性至关重要。

1.1 结构布置原则

根据室燃锅炉结构特点，钢结构选择框架支撑结构体系，平面和立面布置应规则、对称，并应具有良好的整体性，尽量避免结构的刚度突变。室燃炉钢结构宜采用双排柱布置，柱距的确定应兼顾场地、设备和钢结构本身的受力要求，柱宜布置在在同一轴线上，以便以此轴线组成垂直刚性平面。

1.2 创建计算模型

室燃锅炉钢结构计算模型可直接在STAAD软件几何建模功能模块中创建，也可由其他建模软件(AutoCAD、UG/NX、Solidworks等)创建后生成STAAD能够识别的模型文件(3D DXF、QSE ASA、Stardyne、CIS/2等)，再导入到STAAD中生成模型。模型生成后须指定截面特性、材料特性、特殊构件、设置节点约束条件和支座信息等，并导入荷载。

2.1 荷载分类

室燃锅炉钢结构所承受的荷载主要包括永久荷载(锅炉本体部件及相关设备的自重；
保温绝热材料、管内介质及积灰、积渣等自重；
电站设计部门作用在锅炉钢结构上的永久荷载等)、可变荷载(所有作用在锅炉钢结构上和锅炉平台、运转层、炉顶上的活荷载及风、雪荷载)和地震作用。

2.2 荷载取值

结构自重的标准值按结构件的尺寸与材料单位体积自重来确定。运转层混凝土平台荷载由电站设计单位提供，一般自重标准值取4 kN/m2，活荷载标准值取8 kN/m2。在正常使用极限状态作用效应的标准组合中，运转层活荷载标准值可乘以系数0.6进行折减。检修平台活荷载标准值取4 kN/m2，通行平台活荷载标准值取2 kN/m2。屋面荷载自重标准值和活荷载标准值取0.5 kN/m2，雪荷载根据锅炉建设地气象资料确定，且不与屋面活荷载同时组合。风荷载标准值由基本风压确定，其值应由锅炉用户提供，也可按GB 50009规范中给出的该地区50年一遇的风压取值，且不得小于0.3 kN/m2。锅炉钢结构的地震作用效应根据抗震设防烈度(设计基本地震加速度)、设计地震分组、场地类别及建筑类别综合确定。

2.3 荷载分配

锅炉永久荷载和可变荷载按作用位置可以按节点荷载或均布荷载的方式进行分配(见图1)，风荷载按锅炉总体布置情况考虑分配形式(设置紧身封闭或露天布置无导向装置的锅炉，根据不同高度的风荷载标准值，以钢结构各节点的受风面积按节点荷载分配到相应节点上，如图2所示；
露天布置有导向装置的锅炉，先根据导向装置所约束的锅炉受风面积计算出其所承受的风荷载，再将荷载作用在导向装置所在位置的钢结构上)。STAAD软件可根据上述情况采用节点荷载、构件荷载、面积/楼板荷载等方法，方便进行相应荷载的施加。STAAD软件配有内置算法来自动生成横向地震荷载(根据UBC规范来计算总的横向地震作用力或基底剪力)，风荷载和地震荷载也可通过中国规范检验软件SSDD生成并导入到STAAD中。

图1 竖向荷载示意图

图2 风荷载示意图

室燃锅炉钢结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并取各自最不利的荷载组合进行分析设计。其考虑材料弹性阶段的结构分析可采用一阶线弹性分析法，也可采用二阶弹性分析法进行分析计算。

3.1 一阶分析和二阶分析的区别

一阶分析采用计算长度法，二阶分析为考虑结构几何和物理缺陷的计算分析，即同时考虑P-△效应和P-δ效应对结构的影响。一阶分析结合计算长度法进行结构的稳定性计算在规范GB 50017、GB/T 22395及结构设计相关规范中已有详细介绍，本文不再赘述。二阶分析中的内力分布形态完全不同于一阶分析，并不是一阶分析结果的简单放大，因此，通常的荷载线性组合也不适用于二阶分析，必须在每个组合好的工况下进行。

3.2 二阶分析方法优缺点分析

在SRAAD中，P-△效应和P-δ效应可以通过在分析中附加几何刚度(geometric stiffness)来实现。STAAD软件在执行分析时，选择P-Delta分析命令(关键词为PDELTA KG ANALYSIS)，可同时考虑杆件和板壳的几何刚度，也可应用在二维板壳模型的分析中。

对室燃锅炉钢结构使用二阶弹性分析计算结构稳定性时，最重要的一步是对结构的缺陷估计和模拟，这往往也是最困难的一步，目前STAAD软件还不能自动化完成，需要人工操作进行缺陷的定义和模拟。主要方法有2种，即将所有几何和物理缺陷都通过等效的几何缺陷进行考虑，或对结构施加等效缺陷荷载进行考虑。

第一种方法是在STAAD中先对室燃锅炉钢结构模型进行线性屈曲分析(buckling analysis)，得到结构的最低阶屈曲模态后，通过数据处理再将其指定回结构，实际结果就是改变了结构的原始几何坐标数据。其优点是只考虑一个大的涵盖所有因素的等效几何缺陷，缺点是在实际设计时操作比较麻烦，如果结构可能需要验算不止一组缺陷，则需要使用多个具有不同几何的模型进行检验。另外，有时结构最低阶模态不一定是整体屈曲模态，可能只是局部屈曲模态，如果模型建的不合理，前几阶模态出现的很有可能是局部屈曲模态，这样对结构模型的合理性也需要重新判定。

图3 等效缺陷荷载示意图

3.2 分析方法的选择

在STAAD中进行一阶分析(计算长度系数法)和二阶分析(P-△效应和P-δ效应)均可以实现，计算长度系数法实现更为简便一些，对简单规则的框架结构运用一阶分析已能保证足够的安全度。对室燃锅炉钢结构而言，其结构较为复杂且不规则，计算长度系数法分析此类结构虽有不足，但在二阶分析时缺陷的定义和施加更为困难，包括STAAD在内的众多结构分析软件对单根构件的初始缺陷模拟仍存在不足，在STAAD软件中通过二阶分析直接计算出来的构件稳定仅限于平面内稳定(弯曲失稳)，实际单根杆件的初始弯曲缺陷(P-δ效应)远比平面内失稳复杂得多。因此，运用STAAD软件按规范GB 50017施加假想水平力Hni的方法对室燃锅炉钢结构进行考虑P-△效应的二阶分析，其目的主要是验算结构的整体稳定性，分析计算的重点在于整体缺陷(P-△效应)的模拟，单根构件的初始缺陷对结构的影响仍需要通过稳定系数来考虑，杆件的计算长度可以取1，并对单根构件进行规范检验。另外，不同结构对缺陷的敏感度不尽相同，其理论体系尚处于发展和完善中，不同结构的二阶分析结果是否具有足够的安全度仍需要谨慎判别。

因此在室燃锅炉钢结构设计时，一般情况下仍采用一阶分析计算方法，二阶分析计算结构整体稳定性仅作为一阶分析计算(计算长度系数法)的补充计算采用。

STAAD作为国际化的通用结构设计软件，具有高效灵活的建模环境、强大的分析计算能力等诸多优势。针对室燃锅炉钢结构模型大、工况多、组合复杂、初次建模和调整量大，以及分析计算快速响应等需求，STAAD软件都能有效处理。但在进行具体结构计算分析时，应根据不同室燃锅炉项目的钢结构特点，采用最合理的结构模型和分析策略，一般情况下仍采用一阶分析方法为主，二阶分析仅作为一阶分析的整体稳定性补充计算采用，不能盲目追求STAAD软件二阶分析方法的先进性而忽略了对结构适用性的研判，避免因选择分析方法不当而导致结构出现安全性不足等问题。

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