基于ALGOR軟件的煙囪電動提升模平臺結構有限元分析

2014-09-11 02:04李偉張騫

綜合智慧能源 2014年12期

李偉，張騫

(鄭州科潤機電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

煙囪筒壁電動提升模是一種新興的煙囪筒壁施工裝置，該裝置利用減速機作為豎向提升動力，以煙囪筒壁為承載主體，通過附著于較高強度的鋼筋混凝土筒壁上的提升架和支模操作架，帶動整體施工平臺提升，可同時完成筒壁與內襯的施工。電動提升模裝置由提升系統(tǒng)、操作平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、起重機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)由不同的元件組成[1]。

鄭州科潤機電工程有限公司受東電煙塔公司(以下簡稱東電)的委托，依據(jù)東電提供的圖紙、技術資料及電動提升模平臺載荷，借助有限元分析軟件ALGOR對該公司設計的用于煙囪施工的提升模平臺結構進行強度、剛度及穩(wěn)定性的核算[2-5]，并根據(jù)計算結果對平臺結構設計的薄弱環(huán)節(jié)提出改進和加強建議。

1 有限元分析軟件ALGOR

和傳統(tǒng)的計算方法相比，有限元計算能更準確地模擬實際結構，直觀地得到任意部位的各項計算結果，所以被越來越多的人使用。目前廣泛使用的有限元分析軟件ALGOR在建立有限元模型及對模型進行有限元分析時都非常簡單、方便，是自學者快速上手的理想選擇。

電動提升模平臺主結構主要由型鋼組成，平臺結構受力明確，因此在用ALGOR軟件對模型進行網格劃分時，采用Beam梁單元進行計算即可取得較準確的結果。另外也可選Plate板單元來進行更加逼真的模擬，但由于型鋼面較多，模型建模難度大，需耗費大量的計算時間，對計算機配置要求較高，所以整體建模時不采用板單元。

2 電動提升模平臺主結構有限元分析

2.1 提升模平臺主結構有限元模型

提升模平臺系統(tǒng)包括中心鋼圈(拱圈)、平臺輻射梁、平臺鋼圈、懸拉索、平臺鋪板、內操作架、外操作架及防護欄等。為了計算方便，在利用ALGOR軟件建模時，把實際模型進行簡化，保留中心拱圈、輻射梁、平臺鋼圈、拉索等主要受力部件(如圖1所示)，把其余次要結構當作載荷，乘以相應的載荷系數(shù)后直接施加到有限元模型上。

圖1 提升模平臺有限元模型

2.2 計算依據(jù)及載荷施加

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》，取載荷組合類別Ⅱ：在正常工作狀況下，考慮基本載荷與附加載荷同時作用的情況，用于結構的強度、剛度和穩(wěn)定性計算；剛度計算不考慮動力效應系數(shù)[6]。因此，結構自重系數(shù)φ1取1.1，動載荷系數(shù)φ2取1.1，卷揚動載系數(shù)φ3取1.5。采用許用應力法核算平臺結構的強度。

基本載荷分為結構自重載荷和移動載荷，具體劃分如下。

結構自重載荷：中心拱圈P1=程序自動計入值，系數(shù)為φ1；輻射梁P2=程序自動計入值，系數(shù)為φ1；鋼圈P3=程序自動計入值，系數(shù)為φ1；拉索P4=程序自動計入值，系數(shù)為φ1；抱桿P5=5 kN；平臺板P6=130 kN，系數(shù)為φ1，計入輻射梁自重載荷；吊籠P7=28 kN，系數(shù)為φ3，計入荷載P0；灰斗P8=4 kN，計入荷載P0；井架P9=10 kN，計入荷載P0；安全網P10=6 kN，系數(shù)為φ1。

移動載荷:電焊機P11=5 kN；人員P12=16 kN，系數(shù)為φ2；吊籠砼P1a=67.2 kN，計入荷載P0；平臺砼P2a=28.8 kN；導索力P3a=40 kN，計入荷載P0；繩索自重載荷P4a=60 kN，計入荷載P0；隨機移動載荷P5a=10 kN(此載荷按對結構最不利位置施加)。

附加載荷主要為風荷載，對平臺受力影響不大，因此可不考慮。

載荷均以集中力的方式施加在有限元模型上，力的方向為垂直平臺平面向下，如圖2所示。其中：

P0=[(P7+P1a)×1.5+P3a+P4a+

P8+P9]/8=32.1 (kN) ，

F4=P5=5.0 (kN) 。

圖2 提升模平臺有限元模型載荷施加示意

提升模平臺主結構材料采用Q235B，安全系數(shù)為1.33，拉、壓、彎曲許用應力為177 MPa，剪切許用應力為102 MPa，承壓許用應力為265 MPa。

2.3 提升模平臺結構有限元分析

提升模平臺有限元分析的結果主要包括平臺整體結構的復合應力，以及中心拱圈、輻射梁、平臺鋼圈、拉索主要受力部件的復合應力。

2.3.1 平臺有限元分析結果

各部分主結構的材質均為Q235B，只要有限元計算出來的結構復合應力小于177 MPa，即認為合格；大于該值，即為不合格，需要改善結構形式。

計算工況:正常工作狀態(tài)風載荷下，平臺最外圈半徑為9 m時，煙囪施工人員在提升模平臺結構上正常工作，平臺各結構承受正常工作載荷。

2.3.2 結果分析

(1)由圖3和圖4可知，提升模平臺結構有限元分析最大復合應力發(fā)生在中心拱圈處，造成這種現(xiàn)象的主要原因如下。

圖3 提升模平臺整體結構復合應力

圖4 中心拱圈結構復合應力

1)拱圈上平面支撐梁局部強度嚴重不足，此處彎矩較大，型鋼不能滿足受力要求，如圖5所示。原結構型鋼為25a槽鋼，改為2×25a槽鋼(背靠背)，加強后的結構應力如圖6所示，滿足結構受力要求。

2)拱圈立面腹桿結構布置不合理，由圖7可知，腹桿3個方向應力都較大，應根據(jù)結構特點合理布置，減小某一方向的彎曲應力。將原腹桿16等分改為24等分，并將腹桿和下弦節(jié)點與拉索連接座位置對應。修改后腹桿為單向受壓桿，應力大幅度減小，如圖8所示。

3)拱圈下弦結構的25a槽鋼布置不合理。拱圈下弦所受的拉索拉力可分解為水平與垂直兩個分力，將拉索連接座與腹桿對應，則垂直方向分力可直接傳至腹桿，不會引起下弦桿的豎向彎曲。水平方向的徑向拉力會使下弦桿出現(xiàn)水平彎曲，引起的彎曲應力與下弦桿截面水平方向的截面模數(shù)成反比，因此為使下弦桿結構受力更加合理，應將下弦的25a槽鋼旋轉90°使用，結果如圖9所示。