【摘 要】
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火力发电是我国目前主要的发电方式,燃煤机组产业化、大型化、高效、超净排放是国家产业政策大力支持的方向,今后将有更多的大型超超临界机组投入运行。电站锅炉是火力发电厂的三大主机之一,锅炉构架的特点主要体现在锅炉本体全部悬吊在构架的最上部,结构体系复杂、结构构件数量多、全螺栓连接、大板梁等构件较大;火电锅炉运行环境较差,腐蚀严重,构件防腐蚀是结构设计一项重要课题。目前,大型超超临界机组锅炉构架均采用钢结
【基金项目】
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国家重点研发计划“高性能组合结构体系研究与示范应用“（2017YFC0703406）项目； 哈尔滨工业大学与北京巴布科克·威尔科克斯有限公司合作研发项目“大型电站塔式锅炉巨型钢框架支撑结构体系和巨型钢管混凝土支撑结构体系研究与开发”（CE2012-1）；
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火力发电是我国目前主要的发电方式,燃煤机组产业化、大型化、高效、超净排放是国家产业政策大力支持的方向,今后将有更多的大型超超临界机组投入运行。电站锅炉是火力发电厂的三大主机之一,锅炉构架的特点主要体现在锅炉本体全部悬吊在构架的最上部,结构体系复杂、结构构件数量多、全螺栓连接、大板梁等构件较大;火电锅炉运行环境较差,腐蚀严重,构件防腐蚀是结构设计一项重要课题。目前,大型超超临界机组锅炉构架均采用钢结构,作为主要竖向承重构件的框架柱和抗侧力构件的支撑,存在用钢量大、板件厚度大等问题。如单根框架柱需承担1.0E+5k N的压力,方形柱截面边长达2m以上,壁厚超过70mm;钢支撑长达30m以上,截面边长达900mm。如果锅炉构架采用钢管混凝土柱和防屈曲支撑（Buckling-Restrained Brace,BRB）,则能充分发挥钢管混凝土抗压性能好,防屈曲支撑抗震性能好的特点,可显著降低结构用钢量,使结构的抗震性能更优越。本文提出采用钢管混凝土框架-GFRP管防屈曲支撑这种新型组合结构体系应用于大型锅炉支撑结构中,提出采用玻璃纤维增强塑料（Glass Fibre Reinforced Plastic,GFRP）管制作外包GFRP管防屈曲支撑,GFRP管可改善防屈曲支撑的耐腐蚀性,实现免维护;在结构体系中采用方钢管混凝土柱代替传统钢柱,可显著降低用钢量、减小壁厚和构件截面尺寸,带来良好的经济效益,大型锅炉往往应用于地震高烈度地区,对结构体系的抗震性能需求较高,由于组合结构具有良好抗震性能,同时能显著降低结构的用钢量,因此钢管混凝土框架-防屈曲支撑结构体系在大型锅炉构架结构体系中具有广阔的应用前景。本文对GFRP管防屈曲支撑这种新型组合构件性能进行了系统的试验研究和有限元模拟分析,提出了此类新型构件的相关设计方法;在此基础上完成了方钢管混凝土框架-GFRP管防屈曲支撑结构体系的试验,并用试验验证了有限元模型的合理性;在此基础上对此类新型结构体系的锅炉构架抗震性能进行系统分析。论文主要成果如下:（1）完成11个GFRP管填充混凝土的BRB试件试验,研究了套管类型、长细比、约束比等参数对防屈曲支撑在往复荷载作用下受力性能的影响规律,分析不同参数下防屈曲支撑的失效模式、承载力、刚度、耗能能力等各项指标。研究结果表明:GFRP管防屈曲支撑具有较大刚度和较高的承载力,往复荷载作用下展现出优越的耗能能力,具有良好的抗震性能,在防屈曲支撑构件中可以采用GFRP管代替传统钢管。（2）采用有限元分析软件ABAQUS建立GFRP管约束防屈曲支撑的有限元模型,考虑了GFRP管约束构件与钢核心构件的相互作用,用试验结果验证并修正了有限元分析模型;在此基础上分析了典型GFRP管防屈曲支撑构件的受力性能;提出GFRP管防屈曲支撑的设计方法,提出新型防屈曲支撑构件的相关构造要求和设计建议,研究成果可为此类构件的工程应用提供参考和借鉴。（3）进行方钢管混凝土框架-GFRP管防屈曲支撑结构体系的试验,同时进行方钢管混凝土框架的对比试验;研究两类结构体系在往复荷载作用下的变形发展过程和破坏模式;通过关键试验数据分析结构体系的刚度、承载力和耗能能力等性能指标,分析GFRP管防屈曲支撑对结构刚度和承载力的贡献幅度;试验结果表明:两类结构体系均具有较为优越的抗震性能,GFRP管防屈曲支撑可显著提高结构体系的刚度、承载力和耗能能力。（4）在用试验结果验证结构体系分析模型中单元类型、材料本构等参数合理的基础上,建立大型锅炉框架结构体系的有限元模型,分析了采用方钢管混凝土框架-GFRP管防屈曲支撑的大型锅炉结构体系和采用方钢管混凝土框架-钢支撑结构的大型锅炉结构体系的抗震性能;得到结构体系在不同地震动作用下的结构响应,并对比两种结构体系的抗震性能;通过IDA分析方法,得到两种结构体系的结构反应修正系数和位移放大系数的合理取值;研究结果表明:防屈曲支撑设置能降低大震作用下结构体系基底剪力和顶点位移,减震效果明显;设置防屈曲支撑后,结构的反应修正系数和位移放大系数也相应提高。
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