中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司 于 帥 張軍強(qiáng)

淺談大型布袋除塵器殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司 于 帥 張軍強(qiáng)

布袋除塵器的大型化要求設(shè)計(jì)人員對(duì)除塵器殼體進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本文主要介紹了利用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)布袋除塵器殼體進(jìn)行分析、計(jì)算與比較。

除塵器；殼體設(shè)計(jì)；板筋結(jié)構(gòu)

1.綜述

布袋除塵器作為現(xiàn)階段最高效的除塵設(shè)備，在電力、冶金、建材等高粉塵污染行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用，而且單體除塵器的發(fā)展趨向大型化，但目前還缺少成熟的設(shè)計(jì)理論及規(guī)范要求。對(duì)于大型布袋除塵器殼體在設(shè)計(jì)計(jì)算，荷載計(jì)算參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009－2001)，強(qiáng)度穩(wěn)定校核參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)。隨著計(jì)算力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件的發(fā)展，實(shí)際項(xiàng)目中多采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算分析軟件主要有以ANSYS、SAP2000為代表的有限元分析軟件和以3D3S、PKPM等為代表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)可視具體情況綜合使用。

2.工程實(shí)例

以下通過(guò)工程實(shí)例，簡(jiǎn)述利用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行除塵器殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2.1 除塵器工藝參數(shù)

基本風(fēng) 壓：0.55KN/m2；基本雪壓：0.65 KN/m2；大氣壓：98.6Kpa；地震烈度7度，地震加速度0.10g；場(chǎng)地土類別Ⅱ類；除塵器設(shè)計(jì)壓力：–9.0KPa～+9.0kPa。除塵器底部為高10.25米的鋼支架，鋼支架頂部為底梁，灰斗吊掛于底梁，底梁上部為高14.6米的除塵器殼體，殼體部分包括外壁板、內(nèi)隔板、內(nèi)支撐及頂板。沿?zé)煔夥较驗(yàn)槌龎m器進(jìn)風(fēng)喇叭口及出風(fēng)喇叭口，進(jìn)、出風(fēng)喇叭口與除塵器殼體固定，殼體頂部為清灰等附屬設(shè)備，殼體內(nèi)部吊掛濾袋及袋籠等設(shè)備荷載。

2.2 殼體構(gòu)造

殼體板，加強(qiáng)筋，殼體梁，殼體內(nèi)支撐，立柱。

2.3 荷載分析

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500 09-2006)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5 0011-200)進(jìn)行計(jì)算及組合。

2.3.1 地震荷載

依據(jù)除塵器工藝參數(shù)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）在分析軟件中輸入相關(guān)地震參數(shù)，在對(duì)模型進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)選擇地震周期振型分析，則分析軟件自動(dòng)計(jì)算分配地震荷載。

2.3.2 風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓值0.55KN/m2，受力單元為壁板加強(qiáng)筋，體型系數(shù)為0.8-(0.5)，分別按X向及Y向兩種工況施加于計(jì)算模型。

2.3.3 檢修荷載

檢修荷載標(biāo)準(zhǔn)值取qj=2.0KN/m2，分布在花板及屋頂兩層，在模型中按均布活荷載施加，其中在殼體頂蓋處按均布荷載施加于角鋼加強(qiáng)筋，計(jì)算公式為： (Qj——施加于角鋼加強(qiáng)筋的均布檢修荷載；a——加強(qiáng)級(jí)間距)

2.3.4 雪荷載

在本工程中由于檢修荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2.0KN/m2＞基本雪壓值0.65KN/m2，因此在荷載組合時(shí)不組合雪荷載。

2.3.5 重力荷載

重力荷載為恒荷載，包括：殼體重量、保溫重量，由壁板加強(qiáng)筋承擔(dān)，按均布恒荷載施加，荷載數(shù)值計(jì)算參考頂蓋加強(qiáng)筋檢修荷載的計(jì)算方法；濾袋重量、袋籠重量、濾袋掛灰重量，由花板承擔(dān)，在模型中按均布恒荷載施加于花板支撐梁，荷載數(shù)值計(jì)算參考花板支撐梁檢修荷載的計(jì)算方法；殼體頂部清灰系統(tǒng)等附屬重量，為節(jié)點(diǎn)荷載，根據(jù)實(shí)際安裝情況施加于殼體頂部各安裝位置。

2.3.6 負(fù)壓荷載

負(fù)壓荷載按照除塵器設(shè)計(jì)壓力，-9.0KPa～+9.0kPa的要求設(shè)計(jì)，為均布恒荷載，作用于所有殼體壁板，在計(jì)算模型中以壁板加強(qiáng)筋均布荷載的形式施加，其載荷值計(jì)算參考頂蓋加強(qiáng)筋檢修荷載的計(jì)算方法。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖(圓表示支座，數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號(hào))

圖2 計(jì)算步驟見(jiàn)圖

2.4 壁板計(jì)算

依據(jù)除塵器設(shè)計(jì)耐壓值及板厚，對(duì)壁板的計(jì)算確定壁板加強(qiáng)筋的最大間隔，對(duì)壁板的計(jì)算按單項(xiàng)拉彎構(gòu)件來(lái)計(jì)算，其計(jì)算方法如下：

式中M0——不考慮板中拉力按簡(jiǎn)支板計(jì)算的跨中最大彎矩，α取0.1；w0——不考慮板中拉力按簡(jiǎn)支板計(jì)算的跨中最大撓度，當(dāng)為均布荷載時(shí)可取為；A、M——分別為單位寬度板的截面積及抵抗矩；N——板中拉力；I——單位寬度板的慣性矩；qk——板單位寬度上均布荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；E1——板面風(fēng)度中的折算彈性模量：(v為泊松比，取0.3)；k——系數(shù)，由方程求得；a——加強(qiáng)筋間距。

2.5 計(jì)算機(jī)建模及校核計(jì)算

2.5.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

1）構(gòu)造的簡(jiǎn)化

a.殼體板簡(jiǎn)化處理：不考慮板體的密封作用，按層設(shè)置的槽鋼定義為主框架梁，垂直布置的外部角鋼定義為小構(gòu)造柱，小構(gòu)造柱之間殼體板等效為柱間支撐且定義為拉桿形式，板體自重等效定義為垂直向下的均布恒荷載，負(fù)壓載荷定義為垂直于板體的均布荷載。

b.梁柱的簡(jiǎn)化：所有除塵器外圍板及內(nèi)部隔板加強(qiáng)筋簡(jiǎn)化為立柱、頂板加強(qiáng)筋簡(jiǎn)化為次梁，所有殼體梁簡(jiǎn)化為主梁。

c.殼體內(nèi)部支撐：殼體內(nèi)部支撐主要起平衡殼體負(fù)壓及抗側(cè)向力作用，結(jié)構(gòu)中須設(shè)置為水平梁及柱間斜支撐的形式。

2）構(gòu)件截面的選擇

a.加強(qiáng)筋截面的選擇：由于壁板的作用，加強(qiáng)筋實(shí)際有效截面為加強(qiáng)筋與壁板的組合截面，在模型中對(duì)截面進(jìn)行分析計(jì)算選優(yōu)。

b.梁截面選擇：由于殼體梁主要承擔(dān)加強(qiáng)筋傳來(lái)的課題負(fù)壓荷載，故殼體梁選擇時(shí)盡量選擇平面內(nèi)的截面參數(shù)大而平面外小的型材，本項(xiàng)目出于制作安裝方便考慮，采用槽鋼雙拼H形截面，在模型中對(duì)截面進(jìn)行分析計(jì)算選優(yōu)。

c.柱截面選擇：柱為軸心受壓構(gòu)件，因此盡量選擇截面性能各向相同的型材，出于制作安裝考慮，盡量選擇方形截面，在本項(xiàng)目中，選擇寬翼H鋼及以寬翼H鋼封口制作的“日”字型組合截面。

d.殼體內(nèi)部支撐的簡(jiǎn)化：殼體內(nèi)部支撐為軸心受力構(gòu)件，因此盡量選擇截面性能各向相同的型材，在模型中對(duì)截面進(jìn)行分析計(jì)算選優(yōu)。

2.5.2 建立實(shí)體模型

對(duì)簡(jiǎn)化后的殼體結(jié)構(gòu)在分析計(jì)算軟件中利用實(shí)體建模模塊建立計(jì)算機(jī)模型，建立計(jì)算機(jī)實(shí)體模型是各構(gòu)件的方位及連接方式須與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，模型建立后計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1發(fā)。

2.5.3 受力分析及驗(yàn)算

先檢查計(jì)算模型的單元釋放、計(jì)算長(zhǎng)度、構(gòu)件方位及支座等的定義是否正確，然后將風(fēng)荷載導(dǎo)為各受力構(gòu)件的單元荷載，接著進(jìn)行地震荷載的定義及計(jì)算，最后進(jìn)行內(nèi)力分析及設(shè)計(jì)驗(yàn)算，現(xiàn)將計(jì)算步驟見(jiàn)圖2。

2.5.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整

通過(guò)比較采用不同種類型鋼及結(jié)構(gòu)方式、連接方式，綜合各方因素確定最優(yōu)方案。

1）壁面加強(qiáng)筋選擇采用等邊角鋼、不等邊角鋼、槽鋼、工字鋼等，最后確定橫梁采用雙拼槽鋼，立筋采用等邊角鋼；

2）箱體板間隔設(shè)置立柱，原考慮采用HW200×200、HW300×300，考慮加工制作、安裝統(tǒng)一方便，最后統(tǒng)一采用HW200×200規(guī)格，個(gè)別立柱從穩(wěn)定性考慮，將H型鋼開(kāi)口處用鋼板封口處理，提高鋼柱截面力學(xué)性能；

3）經(jīng)過(guò)軟件分析，梁柱之間連接采用剛性或鉸接形式，最大應(yīng)力位置變化較大，一般采用鉸接方式，個(gè)別處采用剛性方式。

2.5.5 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)模型的多次調(diào)整優(yōu)化，通過(guò)對(duì)最不利的前10個(gè)單元強(qiáng)度穩(wěn)定及撓度的計(jì)算值統(tǒng)計(jì)及對(duì)所有單元的強(qiáng)度穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在各種荷載按不同工況和組合作用下，所有構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力比小于1、抗剪應(yīng)力比小于1、整體穩(wěn)定應(yīng)力比小于1、長(zhǎng)細(xì)比及撓度均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)中規(guī)定，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選材是合理的。

3.結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件對(duì)除塵器殼體按三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，能夠真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的各種受力及變形情況，因此計(jì)算結(jié)果更合理準(zhǔn)確。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化處理，正確建立分析計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)受力分析及優(yōu)化，滿足除塵器工藝設(shè)計(jì)要求，保證整體結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,GB 50071-2003[M].中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

[2]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,GB 50009—2001[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版,2002.

[3]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,GB 50011—2001[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版,2001.

[4]李寶熺,除塵設(shè)備中的板筋結(jié)構(gòu)計(jì)算方法總結(jié)[C].第十二屆全國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007.

[5]袁勤澤等,大型電除塵器灰斗及底梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核[C].第十二屆全國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007.

于帥（1976—），男，山東青島人，中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司工程師，研究方向：布袋除塵器設(shè)計(jì)。