锅炉构架设计之设计方法

1、锅炉构架设计三设计方法 对钢结构的设计，国内外采用的主要有定值法和概率法。定值法表示所设计的结构含有多少安全储备(安全程度)，以容许应力设计法为代表。概率法的实质是要使所设计的结构的失效概率小到人们可以接受的程度，或要求其安全度具有多少概率保证，以极限状态设计法为代表。1. 刚结构设计的目的在规定的设计使用年限和经济合理的前提下，使所设计的结构满足预定的功能是结构设计的主要目的，建筑钢结构的功能有下列三项：1.1 结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，在偶然事件发生时及发生后，结构仍保持必需的整体稳定性，不致发生连续倒塌。1.2 在正常使用荷载情况下，结构具有良好的工作性能，满

2、足正常使用要求，如不发生影响正常使用的变形，振动等。1.3在正常维护下，结构具有足够的耐久性，为不发生严重锈蚀而影响结构的使用寿命。 上述三项功能，可归纳为安全性、适用性和耐久性，总称为可靠性。2 容许应力设计法2.1 容许应力设计法的表达式 抗拉、抗压和抗弯： 抗剪： 轴心受压构件的稳定：， 式中为刚才的屈服强度（或屈服点），为轴心受压构件的稳系数，即考虑稳定对容许应力的折减系数，为容许应力，为安全系数。2.2 安全系数安全系数，在1950年以前由实践经验和判断确定，是单一的定值；1950年开始采用分项安全系数，由三部分组成，即：式中是加权平均荷载系数，考虑荷载的变异，是材料（均质）系数，考

3、虑材料强度和截面尺寸的变化，是调整系数，考虑受力情况与工作条件。我国锅炉钢结构设计，采用分项安全系数，1976年以前主要参考前苏联方法选取、；1976年开始，行业编写的锅炉钢结构设计导则与应力计算方法中，按我国原钢结构设计规范TJ17-74容许应力设计法确定、和。详见下表：钢材牌号1976年以前1976年到1993年Q2351.21.1111.251.671.101.1431.161.46Q3451.21.251.251.881.101.1761.161.50注：实际应用中，Q235与Q345采用同一安全系数，即。3 极限状态设计法极限状态设计法比许用应力设计法更先进，更合理。它把有变异的参数

4、采用概率分析引入到结构设计中。根据其应用概率分布的程度可分为三个水准，即概率极限状态设计法，近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法。由于荷载、材料性能、结构件的几何参数等的统计资料还不很完善，目前国内外都只达到水准二的程度。3.1 结构的极限状态结构的极限状态是指结构或构件能满足设计规定的某一功能要求的临界状态，超过这一状态，结构或构件就不能满足设计要求。我国设计规范规定采用以概率理论为基础的极限状态设计法，就是要保证结构具有必要的可靠度，以一定的概率保证不导致所设计的结构超过极限状态。承重结构的设计应考虑承载能力和正常使用极限状态。3.1.1 承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力

5、或达到不适于继续承载的变形的极限状态。为构件和连接的强度破坏、构件丧失稳定等。3.1.2 正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的其项规度的极限状态。为梁的挠度、构架侧移、结构振动、腐蚀等。一般情况下，承载能力极限状态是保证结构的安全性，正常使用极限状态是保证结构的实用性和耐久性。3.2 极限状态设计表达式我国钢结构设计规范GB50017-2003规定，除疲劳计算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计法（一次二阶矩设计法），用分项系数设计表达式进行计算这样相当于上述水准二，即近似概率设计法。下面根据建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001和荷载规范GB50009-2001中规定的极限

6、状态设计表达式作简要介绍。3.2.1 承载能力极限状态对一般建筑钢结构，承载能力极限状态采用荷载效应的基本组合，其设计表达式取下列两式的最不利者：（1） 由可变荷载效应控制的组合：（2） 由永久荷载效应控制的组合：式中 荷载效应组合的设计值，为内力、应力、变形、裂缝和振幅等。 结构重要性系数：对安全等级为一级或设计使用年限为100年的结构不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构不应小于0.9；对设计使用年限为25年的结构不应小于0.95。锅炉构架取。 永久荷载的分项系数： 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的

7、组合，取1.2； 对由永久荷载效应控制的组合，取1.35。 当其效应对结构有利时 一般情况下取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算取0.9。 第个可变荷载分项系数，其中为可变荷载的分项系数。一般情况下取1.4；对标准值大于的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。 按永久荷载标准值计算的荷载效应值。 按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应中起控制作用者。 可变荷载的组合值系数，对风荷载取0.6；对其他可变荷载统一取0.7；但不应低于频偶值系数。 参与组合的可变荷载数。 结构构件的抗力标准值。 构件的抗力分项系数，对Q235钢，取1.087；对Q345钢、Q390钢和Q420钢，取1.

8、111。3.2.2 正常使用极限状态钢结构的正常使用极限状态，通常采用荷载效应的标准组合，并按下列设计表达式设计：式中 结构或构件达到正常使用要求的规定限制。为变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值。应按有关建筑结构设计规范的规定采用。应当注意的是：上述荷载效应组合的设计值S的表达式仅适用于荷载和荷载效应为线性的情况，即结构分析采用一阶弹性分析时才适用。当用二阶弹性分析时，荷载与荷载效应呈非线性关系，应先进行荷载组合。4 锅炉刚构架的设计方法我国锅炉构架的设计，1993年以前采用容许应力设计法，1993年开始，执行国家有关标准，采用以概率理论为基础的极限状态设计法。由于锅炉构架承受的永久荷载比

9、例很大，除风荷载和多遇地震作用外，其他可变荷载比列很小，因此，在结构分析时可以不考虑可变荷载参与组合，而对主要承受可变荷载的构件（如支承运转层和平台的梁）计算时，将可变荷载视作永久荷载，按仅承受永久荷载的构件计算其荷载效应设计值。4.1 承载能力极限状态承载能力极限状态采用基本组合效应组合的设计值S（内力或应力）按下列各式计算：4.1.1 仅永久荷载作用：式中 按永久荷载标准值计算的荷载效应值。4.1.2 永久荷载与风荷载组合：式中 按风荷载标准值计算的荷载效应值。4.1.3 永久荷载与多遇地震水平作用的组合： 式中 按多遇地震水平作用标准值计算的地震作用效应值 抗震调整系数，见4.1.4款。

10、4.1.4 应力表达式：为了与现行钢结构设计规范协调一致和方便习惯的做法，上列三式可改写成应力表达式： 仅永久荷载作用： 永久荷载与风荷载组合： 永久荷载与多遇地震水平作用组合： 式中 按永久荷载设计值计算的构件或连接的应力，仅永久荷载作用时；永久荷载与风荷载或与地震作用组合时；按风荷载设计值计算的构件或连接的应力； 按地震水平作用设计值计算的构件或连接的应力； 抗震调整系数，按下表采用。构件名称柱、梁支撑连接板、连接螺栓连接焊缝0.750.800.850.904.2 正常使用极限状态正常事业极限状态采用标准组合，按下式计算：式中 、分别为按荷载标准值计算的梁的挠度或构架侧移和相应的规定限值。

11、5 概率设计法与容许应力设计法的比较 5.1 安全水平概率设计法按荷载类别采用不同的分项系数，它不是定值的安全系数，而是概率法的等效系数，因此可较合理地评估结构中各构件的安全度，有可能使各构件的安全水平接近或相等。容许应力设计法则采用同一安全系数，因可变荷载的变异性比永久荷载的变异性大，故由可变荷载控制的构件，其安全水平偏低，结构中各构件的安全水平差异较大。5.2 可靠度概率设计法中，结构构件的可靠度是采用校准法确定的，即通过对按容许应力法设计规范设计的已使用多年的结构构件，用概率法求出其可靠度，并考虑使用经验和经济等因素，经综合平衡后确定的，所以两种设计方法的可靠度水平基本相同。5.3 安全系数与可靠概率容