锅炉钢结构的整体稳定性分析王立谦

锅炉钢结构的整体稳定性分析王立谦

王立谦

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：锅炉钢结构的布置形式具有多样性，且荷载条件具有复杂性，一些大型的锅炉不但钢结构极其复杂，同时其内部结构十分庞大，拥有数量繁多的杆件数，且多数巨大的荷载数量直接作用到锅炉结构上，针对荷载独立工况与组合工况繁多且多样化的结构构造情况，仍需要进一步研究有效的分析与设计方法，锅炉钢结构作为电站中重要的组成部分，同时是受力的主要部件，其制作过程及质量的验收对于锅炉钢结构的使用寿命及性能起着重要的影响。因此，需要对锅炉钢结构制造过程中的各个环节进行严格有力的控制监督。本文简要结合锅炉钢结构的整体稳定性进行分析，以期为相关工作人员提供一定参考价值。

关键词：锅炉；钢结构；整体稳定性；分析

1引言

因钢结构框架本身自重相对较轻、工程造价较低、有效面积大且施工速度较快等方面特点，而在我国被广泛应用。但现阶段国内仍不能有效的解决锅炉钢结构整体稳定性的分析方法与设计，破坏钢结构的主要原因之一在于其丧失了框架的稳定性能，因此，在设计锅炉钢结构的框架中计算其稳定性是非常重要的环节之一。下文就此进行一定分析。

2钢结构的稳定性概述分析

2.1关于其稳定及失稳的含义分析

和稳定相关的问题主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，之后设法防止进入该状态，因此，从某种意义上讲，这属于一个变形问题。

失稳被称为屈曲，是钢结构或构件失去了整体的或局部的稳定性，一般在承载力极限状态范围之内。

此外，若对构件或板件因受压、受弯或受剪等产生的受压区域处理不当，钢结构可能会出现整体失稳或局部失稳的现象。尽管钢结构在失稳前的变形量可能看起来微乎其微，但突然的失稳会使其因几何形状急剧变化而丧失抗压力，进而导致结构物整体塌落。

2.2钢结构稳定性的方法

2.2.1平衡法

即中性平衡法或静力平衡法，根据已发生微量变形后的钢结构的受力条件建立平衡微分方程，然后对其进行求解的方法，是求解结构稳定极限荷载的最基本方法。在建立平衡微分方程时应满足下面基本假定：构件是等截面直杆，压力始终沿构件原来轴线产生作用，材料遵循胡克定律，构件满足平截面假定，构件的弯曲变形是微小的。进行相应的分析，故平衡法在多数情况下较为常用。

2.2.2动力法

即对已处于平衡状态的结构体系加以细微干扰令其产生振动的方法，此时结构的变形和振动加速度都与已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度方向与变形的方向相反，相应的若撤去干扰，运动则趋于静止，此时结构处于稳定的平衡状态；而当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度方向和变形的方向相同，此时就算去除干扰，运动依然发散，而此时结构的平衡状态不稳定。

2.2.3能量法

其是求解承载力稳定性的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理来求解临界荷载的方法。由小变形理论分析可得，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解；但若事先能了解屈曲后的变形形式，用这种方法进行计算便于得到精确解。另外，通常而言，用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载，而用总势能最小原理能够分析出屈曲后平衡的稳定性。

因此，在设计钢框架结构时必须要考虑到整体的稳定性及局部子结构或单位构件的稳定性，而结构的整体稳定又不同于构件的稳定，结合稳定理论与钢结构设计来防止结构失稳，同时充分挖掘潜力，确定极限承载力，考虑构件的整体稳定与构件的局部稳定。

3框架结构稳定的近似状态分析

当前要分析框架的弹性有多种方法，常用的有：平衡法、转角位移法以及刚度矩阵法。单层单跨的屈曲荷载是其中最为简单的一种情况，一般多采用平衡法来进行分析，而且平衡法也只能用于这种简单情况的分析，进行其他情况的分析时多采用转角位移法，此方法必须要依据二阶分析要求，将杆件变曲刚度受轴力影响的情况计算进去。合理的设计框架就必须使所有柱都在同时失稳，只有这时的框架弹性才比较稳定，框架结构的弹性稳定计算等同于计算的框架柱的弹性稳定，因此，当框架符合或者近似于所有柱同时失稳时的条件，就可将对框架结构弹性稳定的分析当成框架柱的长度问题来计算。但是要计算框架的稳定又要按照其失稳模态来进行分析，而框架结构的失稳模态又分为无侧移与有侧移两种，当框架柱到达临界状态时，同一节点相交的梁为该柱提供的约束变矩则会依据柱子线的刚度比分配到各个柱子上，因此考虑到连同该柱的横梁与柱的约束作用。在发生无侧移对称屈曲的情况时，横梁两端转角的方向相反但大小却相同，该柱转角的大小与方向和上下柱的远端转角都相同，当发生有侧移反对称屈曲的情况时，横梁两端的转角方向与大小是相同的，上下柱转角的大小与方向相同。

4加强钢结构稳定性施工的质量控制措施分析

4.1轴心受压构件的截面类型的正确选择

钢结构的稳定设计多采用长度系数计算法，该法方便简单，但关键是如何确定构建的截面类型，从而根据构建的长细来确定稳定系数φ。设计人员应该明确截面的分类主要是几何缺陷和残余应力对不同截面影响程度不同，其中残余应力起主要作用。

不同形状的截面会有不同的残余应力分布，相同形状的截面因成型的方法不同（轧制或焊接）和尺寸比例的不同也使残余应力有很大的不同。对于H形和工字型截面来说，腹板上的残余应力没有翼缘上的影响重要，设计人员应注意翼缘中的残余应力的分布特点和数值（尤其是残余压应力）。

4.2确保各种构件的稳定性能

设计结构的细部构造和构件的稳定计算相一致，使两者有很好的一致性。例如：按照简支梁计算其稳定性，就要求在细部构造上确保梁端不发生扭转。如果梁端支座不能有效地阻止扭转，则稳定性能将在一定程度上有所降低。

严格施工规范，减少杆件的失稳现象钢结构施工具有严格的规范和标准，因而，在进行钢结构施工过程中，严格遵守钢结构施工标准和各种质量控制规范，结合工程的具体实际情况设置一些必要的支撑构件，更好确保框架等的杆件不出现平面失稳现象。平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。更好的让钢结构施工过程中的各种杆件失稳现象很大程度的减少。

4.3提高施工人员综合素质，确保钢结构整体和局部施工的整体性

由于钢结构的施工具有一定的特殊性，因而，对施工人员的综合素质有更为严格的要求，因而，在进行钢结构施工过程中，要确保整个钢结构的施工质量，必须不断加强对施工人员的素质提升，提高对各种钢结构施工机械的操作，加强对钢结构的施工安全管理和控制，确保整个钢结构施工的整体质量控制。结构整体布置须兼顾整个体系以及各组成部分的稳定性要求，现阶段我国大部分钢结构是基于平面体系设计的，如桁架和框架都是如此。对此，需要从结构整体布置来解决，以保证平面结构不会出现平面失稳，所以要针对性的设计必要的支撑构件。同时，必须保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。

5结束语

综上所述，随着我国工业的不断发展，锅炉钢架结构越来越广泛的应用于实际工程中，通过分析锅炉钢结构稳定性，以提高整个锅炉钢结构的安全。

参考文献

[1]孙洪鹏.锅炉钢结构高强螺栓连接及失效分析[J].钢结构.2012(06)

[2]胡海林,李伟,顾钧,班慧勇,王元清.中美地震作用计算参数比较及锅炉钢结构抗震选型[J].钢结构.2016(04)

[3]陈铭,李耀荣.某锅炉钢框架晃动问题的分析及解决方案[J].钢结构.2014(04)

[4]嵇雪飞,徐丹.锅炉钢结构大型BH叠梁吊装装置的设计[J].建筑施工.2014(10)