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

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。