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基于ALGOR软件的烟囱电动提升模平台结构有限元分析

2014-09-11李伟张骞

综合智慧能源 2014年12期
关键词:腹杆钢圈拱圈

李伟,张骞

(郑州科润机电工程有限公司,郑州 450015)

0 引言

烟囱筒壁电动提升模是一种新兴的烟囱筒壁施工装置,该装置利用减速机作为竖向提升动力,以烟囱筒壁为承载主体,通过附着于较高强度的钢筋混凝土筒壁上的提升架和支模操作架,带动整体施工平台提升,可同时完成筒壁与内衬的施工。电动提升模装置由提升系统、操作平台系统、模板系统、起重机械系统和电气控制系统组成,每个系统由不同的元件组成[1]。

郑州科润机电工程有限公司受东电烟塔公司(以下简称东电)的委托,依据东电提供的图纸、技术资料及电动提升模平台载荷,借助有限元分析软件ALGOR对该公司设计的用于烟囱施工的提升模平台结构进行强度、刚度及稳定性的核算[2-5],并根据计算结果对平台结构设计的薄弱环节提出改进和加强建议。

1 有限元分析软件ALGOR

和传统的计算方法相比,有限元计算能更准确地模拟实际结构,直观地得到任意部位的各项计算结果,所以被越来越多的人使用。目前广泛使用的有限元分析软件ALGOR在建立有限元模型及对模型进行有限元分析时都非常简单、方便,是自学者快速上手的理想选择。

电动提升模平台主结构主要由型钢组成,平台结构受力明确,因此在用ALGOR软件对模型进行网格划分时,采用Beam梁单元进行计算即可取得较准确的结果。另外也可选Plate板单元来进行更加逼真的模拟,但由于型钢面较多,模型建模难度大,需耗费大量的计算时间,对计算机配置要求较高,所以整体建模时不采用板单元。

2 电动提升模平台主结构有限元分析

2.1 提升模平台主结构有限元模型

提升模平台系统包括中心钢圈(拱圈)、平台辐射梁、平台钢圈、悬拉索、平台铺板、内操作架、外操作架及防护栏等。为了计算方便,在利用ALGOR软件建模时,把实际模型进行简化,保留中心拱圈、辐射梁、平台钢圈、拉索等主要受力部件(如图1所示),把其余次要结构当作载荷,乘以相应的载荷系数后直接施加到有限元模型上。

图1 提升模平台有限元模型

2.2 计算依据及载荷施加

根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》,取载荷组合类别Ⅱ:在正常工作状况下,考虑基本载荷与附加载荷同时作用的情况,用于结构的强度、刚度和稳定性计算;刚度计算不考虑动力效应系数[6]。因此,结构自重系数φ1取1.1,动载荷系数φ2取1.1,卷扬动载系数φ3取1.5。采用许用应力法核算平台结构的强度。

基本载荷分为结构自重载荷和移动载荷,具体划分如下。

结构自重载荷:中心拱圈P1=程序自动计入值,系数为φ1;辐射梁P2=程序自动计入值,系数为φ1;钢圈P3=程序自动计入值,系数为φ1;拉索P4=程序自动计入值,系数为φ1;抱杆P5=5 kN;平台板P6=130 kN,系数为φ1,计入辐射梁自重载荷;吊笼P7=28 kN,系数为φ3,计入荷载P0;灰斗P8=4 kN,计入荷载P0;井架P9=10 kN,计入荷载P0;安全网P10=6 kN,系数为φ1。

移动载荷:电焊机P11=5 kN;人员P12=16 kN,系数为φ2;吊笼砼P1a=67.2 kN,计入荷载P0;平台砼P2a=28.8 kN;导索力P3a=40 kN,计入荷载P0;绳索自重载荷P4a=60 kN,计入荷载P0;随机移动载荷P5a=10 kN(此载荷按对结构最不利位置施加)。

附加载荷主要为风荷载,对平台受力影响不大,因此可不考虑。

载荷均以集中力的方式施加在有限元模型上,力的方向为垂直平台平面向下,如图2所示。其中:

P0=[(P7+P1a)×1.5+P3a+P4a+

P8+P9]/8=32.1 (kN) ,

F4=P5=5.0 (kN) 。

图2 提升模平台有限元模型载荷施加示意

提升模平台主结构材料采用Q235B,安全系数为1.33,拉、压、弯曲许用应力为177 MPa,剪切许用应力为102 MPa,承压许用应力为265 MPa。

2.3 提升模平台结构有限元分析

提升模平台有限元分析的结果主要包括平台整体结构的复合应力,以及中心拱圈、辐射梁、平台钢圈、拉索主要受力部件的复合应力。

2.3.1 平台有限元分析结果

各部分主结构的材质均为Q235B,只要有限元计算出来的结构复合应力小于177 MPa,即认为合格;大于该值,即为不合格,需要改善结构形式。

计算工况:正常工作状态风载荷下,平台最外圈半径为9 m时,烟囱施工人员在提升模平台结构上正常工作,平台各结构承受正常工作载荷。

2.3.2 结果分析

(1)由图3和图4可知,提升模平台结构有限元分析最大复合应力发生在中心拱圈处,造成这种现象的主要原因如下。

图3 提升模平台整体结构复合应力

图4 中心拱圈结构复合应力

1)拱圈上平面支撑梁局部强度严重不足,此处弯矩较大,型钢不能满足受力要求,如图5所示。原结构型钢为25a槽钢,改为2×25a槽钢(背靠背),加强后的结构应力如图6所示,满足结构受力要求。

2)拱圈立面腹杆结构布置不合理,由图7可知,腹杆3个方向应力都较大,应根据结构特点合理布置,减小某一方向的弯曲应力。将原腹杆16等分改为24等分,并将腹杆和下弦节点与拉索连接座位置对应。修改后腹杆为单向受压杆,应力大幅度减小,如图8所示。

3)拱圈下弦结构的25a槽钢布置不合理。拱圈下弦所受的拉索拉力可分解为水平与垂直两个分力,将拉索连接座与腹杆对应,则垂直方向分力可直接传至腹杆,不会引起下弦杆的竖向弯曲。水平方向的径向拉力会使下弦杆出现水平弯曲,引起的弯曲应力与下弦杆截面水平方向的截面模数成反比,因此为使下弦杆结构受力更加合理,应将下弦的25a槽钢旋转90°使用,结果如图9所示。

图5 中心拱圈上平面支撑梁复合应力图

图6 中心拱圈上平面支撑梁加强后复合应力图

图7 16等分中心拱圈腹杆复合应力图

图8 24等分中心拱圈腹杆复合应力图

图9 24等分中心拱圈下弦25a槽钢转90°复合应力图

(2) 由有限元计算结果可知,辐射梁和钢圈的受力以受弯为主(如图10、图11所示),且两者的主结构由型钢组成,因此,按照GB/T 50017—2003《钢结构设计规范》的相关公式对梁的整体稳定性进行计算[7]。

图10 辐射梁结构复合应力

图11 钢圈结构复合应力

辐射梁稳定性计算应力

σw1=135.8 MPa<[σ]=177 MPa ,

钢圈稳定性计算应力

σw2=117.5 MPa<[σ]=177 MPa 。

(3)在上述工况下,拉索力最大值为95.54 kN(如图12所示),满足拉索的受力要求,拉索合格。

图12 拉索轴力图

通过上述分析,重新建立电动提升模平台的有限元模型,经过计算,最大复合应力为170.1MPa,发生在中心拱圈处,满足材料的复合应力,产品合格,如图13所示。

图13 提升模平台结构修改后的复合应力图

4 结论

(1)借助ALGOR软件对提升模平台结构进行有限元分析,可知平台整体结构的复合应力发生在中心拱圈处,而中心拱圈的受力与拱圈上平面的支撑梁、拱圈腹杆的布置方式和型钢的摆放位置紧密相关,因此应合理地布置上述结构。

(2)钢圈截面由刚度控制,无减小空间。辐射梁截面由梁的整体稳定性控制,可适当减小。

(3)基于ALGOR的有限元分析,为烟囱提升模平台结构分析提供了可靠的计算依据,为提升模平台结构设计提供了一种新的有限元分析方法。鉴于ALGOR软件操作的方便性和计算的准确性,可以参照此方法对其他形式的结构进行有限元分析。

参考文献:

[1]王庆伟,祝建明,师月海,等.烟囱筒壁电动提摸施工技术[J].建筑技术,2010(8):720-723.

[2]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].2版.北京:机械工业出版社,2009.

[3]GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].

[4]李月美.烟囱电动提升模系统主平台吊装技术[J].企业科技与发展,2010,14(7):55-56.

[5]GB 50051—2013 烟囱设计规范[S].

[6]徐格宁.起重运输机金属结构设计[M].北京:机械工业出版社,1995.

[7]GB/T 50017—2003 钢结构设计规范[S].

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