基于ANSYS軟件的火電廠主廠房結構可靠性分析

侍莘莘 （合肥熱電集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

土建施工技術就是對土木工程進行建造，包括各種建筑物以及設施的建造，同時也包括在整個建筑施工過程中的設計、管理、勘察等相關活動。在我國經濟發展的過程中，土建施工是必不可少的。只有土建技術才能為各行各業的發展提供生存空間和買賣場所，促進經濟和社會的不斷發展。因此，土建施工技術對我國的發展以及日常的生活來說是至關重要的，只有更好的發展土建施工技術才能對城市經濟水平的提高以及人民生活質量的提高帶來積極的意義。

目前火電廠主廠房的施工量較大，所需要的技術管理人員也較多。但是受到人員知識體系不完備、專業知識水平較低、現場工作量較大等情況的制約，會做出不正確的判斷進而導致主廠房的使用周期縮短甚至引發安全問題。在火電廠主廠房的金屬結構與預埋鐵件安裝的環節中，對工程不了解就會導致鋼筋的接頭位置出現錯誤，造成不必要的浪費；在建筑中不同位置的鋼筋、混凝土的需求量以及分布位置都存在差異，如果施工人員完全依賴圖紙進行施工，將會出現預埋鐵件無法進入結構的問題；在鋼結構搭設環節、設計環節，沒有按照實際情況進行相應的變動，就會導致實際安裝的位置和設計圖紙上的位置相差較大，無法進行正常施工，額外進行高空作業又加大了工程量。

1 項目概況

在火力發電廠內布置主要設備和輔助設備的廠房稱為火力發電廠的主廠房[1]。本文以某火電廠為例，其中主廠房包括汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房等建筑物。按功能使用需要包括汽機房、除氧間、煤倉間三個部分。主廠房為框排架結構，其中AB軸柱跨度35m、BC跨度12m、CD 跨度16m。橫向框排架結構有9 層3 跨，總高58m，屋架梁與柱的連接方式為栓焊混合，主梁與柱的連接方式為鉸接并且部分位置有鋼支撐。主廠房的截面如圖1 所示，部分尺寸如表1 所示。本文主廠房的鋼材采用Q235B，各構件均在工廠里加工制作，采用鋼板組合焊接的形式形成構件，部分鋼結構如圖2所示。

表1 主廠房部分尺寸

圖1 主廠房的截面圖

圖2 部分鋼結構

2 仿真模型的建立

2.1 基于Revit軟件建立火電廠主體實體模型

在火電廠主廠房項目成立之初，利用Revit 軟件對火電廠主體結構建立三維設計模型，將主要的工作分為建筑和結構這兩個部分?？傢椖控撠熑素撠熁痣姀S主廠房的整體規劃布局，協調不同部門的人員進行施工。金屬結構與預埋鐵件的安裝過程中會出現工人按照既定的圖紙進行預埋鐵件錨筋加工作業卻無法將預埋鐵件安裝進結構內部的工程問題。在對鋼結構支撐體系進行設計的環節沒有將實際情況考慮在內，導致螺栓孔安裝位置與設計的位置之間存在較大偏差，需要額外的進行高空吹割作業，不僅造成工程進度受阻，同時還加大了工程的成本投入，可以在工程開展之前對鋼結構等重要材料進行型號上的交底?？梢詫χ匾糠诌M行鋼結構排布的過程模擬。最后將相關模型的相關信息和實際模型信息進行比較，這樣既可以從根本上解決鋼型號、安裝位置錯誤的問題，又可以提升預先設計水平。專業的技術人員則負責整個工程的設計方面，建立各個部分的施工模型[2]。具體的Revit模型操作流程如圖3所示。

圖3 Revit模型操作流程

2.2 仿真模型的建立

本文利用Revit 軟件與ANSYS 的相關數據接口，將已經在Revit中建立好的實體模型存成x-t 格式導入到ANSYS并保存為.db 文件。為縮短仿真時間，在保證三維實體模型結構良好的效果下，對模型進行布爾運算功能。運用仿真軟件ANSYS 對主廠房結構的影響進行仿真模擬[5-6]，由于主廠房結構復雜且不規則，在不影響仿真結果可靠性的前提下對建模型進行適當的簡化。其中仿真模型中混凝土設置的單元類型為Solid165，梁、柱設置的單元類型為Solid185，其余結構統一設置單元類型為Link180，模型共86019 個節點，65438個單元，具體模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

3 火電廠結構可靠性分析

3.1 火電廠結構模態分析

由圖5 所示，主廠房的第一階模態頻率為0.519Hz，表現為整體沿豎向平動；第二階模態頻率為1.267Hz，表現為下部沿豎向平動嚴重，并出現扭轉現象；第三階模態頻率為1.359Hz，主要表現為扭轉，并出現橫向的平動（如圖6 所示）；從第六階開始主廠房的頻率變化非常小，并且只有局部發生振動。根據整體結構的模態分析并且根據自身的結構特點，主廠房容易發生整體的扭轉作用，這是框排架結構橫向抗側剛度分布不均勻導致的。由于該結構并沒有增加縱向抗側剛度的措施，主廠房低階陣型主要表現為沿著縱向振動。

圖5 主廠房模態振動頻率

圖6 第四階模態振動

3.2 地震波作用下火電廠結構的可靠性分析

根據相關的設計規范，選取三組地震波進行仿真模擬，其中包括人工設置的加速度（人工波）和實際地震波（Centro 波與Taft 波），并且采用雙激勵主方向為X 軸和Z 軸，峰值設置為1/0.85，Y方向系數設置為0.65。

由圖7、圖8可得，當施加雙激勵時，X 和Y 方向上的位移角變化呈現出不同的趨勢，并且Y 方向上的層間位移角明顯大于X 方向的數值。由X 方向的層間位移角變化曲線可以看出，施加三種地震波的變化曲線大體一致，并且Centro波的位移角變化曲線大于其他兩種，位于錯層11.6m 和柱變截面23.52m 處的兩個位置位移較大，其產生的原因為上下柱截面沒有對稱，從而引起剛度變化不平滑。在分別施加人工波、Centro 波與Taft 波的作用下，最大層間位移角分別是5.25×10-4、6.18×10-4和5.34×10-4。Y 方向的層間位移角變化曲線可以看出，層間位移角的最大值為30.2m，其產生的原因為此位置高出屋面部分進而產生鞭梢效應。在分別施加人工波、Centro波與Taft波地震波作用下最大位移角分別是1.25×10-3、1.49×10-3和1.2×10-3。根據抗震規范層間位移角極限值為4×10-3，X、Y 兩個方向的仿真結果都小于極限值，兩個方向有許多拐點，這說明主廠房在豎直方向受到的重力和剛度不均，將出現薄弱區域，特別注意錯層或者截面改變區域。

圖7 X向地震作用下X方向層間位移角

圖8 Y向地震作用下Y方向層間位移角

3.3 提高火電廠結構可靠性的建議

設計人員也可以通過參考這些數據進行合理化布局，根據要求進行不斷地完善，使數據趨于精準，也有利于在具體的施工過程中提高精細度。關于主廠房的每項數據都在軟件當中有所體現，可以直接查詢整個項目的材料用量。不是依靠以往的經驗，而是通過精確的計算得到準確的數據，降低事故發生的可能性，使數據的測算更加快捷、高效，施工材料中的鋼筋、模板、混凝土等主要材料也會隨之計算出來。無論現場施工人員綜合素質或者能力的高低，都會減少因用料不當給工程所帶來的負面影響。同時，隨著建筑施工的不斷進行，實際情況會與原先的設計圖紙不相符合，BIM 技術就會根據工程的進度安排，實時形成工程材料用量表，既增加了數據的精細化，又降低了材料的消耗，較大程度上減少了工程成本。這種精細化管理提高了整個項目的工作效率，火電廠主廠房的安全方面也得到了更好的保障。

施工質量是整個建筑工程作業中最重要的一環節，施工質量不僅影響著火電廠主廠房最后的施工成果是否符合要求，還關系著主廠房能否發揮出應有的社會效益。在火電廠主廠房的實際施工過程中，有很多影響施工的因素，包括施工人員對工程了解不透徹、管理人員監察不徹底等。因為火電廠主廠房對人們的生活起到了重要的作用，所以需要采用先進的技術來提高工程質量。利用BIM 技術可以更好的達到施工效果，在施工過程中采用立體的三維建模，無論是現場施工人員還是作業人員都對整個主廠房的施工有著清晰的了解，已經較為全面的掌握了設計圖紙以及規范標準。在施工的過程中也可以做到心中有數，有效地提高工程質量。

4 結論

近年來，我國火電廠的建設日益繁榮，所帶來的經濟效益和社會效益都是不可估量的，在人們日常生活中所發揮的作用更是無可替代的。但同時火電廠主廠房的建設也是一個非常龐大的工程，必須提升預先設計水平、增加施工過程的精細度、提高工程質量。通過對火電廠主廠房土建施工技術進行相關研究，火電廠主廠房對于火電廠整體運行有著至關重要的作用，直接影響著火電廠的工作效率。運用軟件對主廠房進行可靠性的仿真，討論了根據整體結構的模態分析，并且根據自身的結構特點主廠房容易發生整體的扭轉作用，這是框排架結構橫向抗側剛度分布不均勻的特征導致的。由于該結構并沒有增加縱向抗側剛度的措施，主廠房低階陣型主要表現為沿著縱向振動。