淺談大型布袋除塵器殼體的結(jié)構設計及計算

中國大唐集團科技工程有限公司 于 帥 張軍強

淺談大型布袋除塵器殼體的結(jié)構設計及計算

中國大唐集團科技工程有限公司 于 帥 張軍強

布袋除塵器的大型化要求設計人員對除塵器殼體進行合理設計。本文主要介紹了利用鋼結(jié)構分析軟件對布袋除塵器殼體進行分析、計算與比較。

除塵器；殼體設計；板筋結(jié)構

1.綜述

布袋除塵器作為現(xiàn)階段最高效的除塵設備，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計理論及規(guī)范要求。對于大型布袋除塵器殼體在設計計算，荷載計算參考《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》(GB50009－2001)，強度穩(wěn)定校核參考《鋼結(jié)構設計規(guī)范》(GB50017-2003)。隨著計算力學、計算機技術及軟件的發(fā)展，實際項目中多采用計算機輔助設計，計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)構設計軟件，在實際工程設計時可視具體情況綜合使用。

2.工程實例

以下通過工程實例，簡述利用鋼結(jié)構分析軟件進行除塵器殼體結(jié)構的設計計算方法。

2.1 除塵器工藝參數(shù)

基本風 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；場地土類別Ⅱ類；除塵器設計壓力：–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。沿煙氣方向為除塵器進風喇叭口及出風喇叭口，進、出風喇叭口與除塵器殼體固定，殼體頂部為清灰等附屬設備，殼體內(nèi)部吊掛濾袋及袋籠等設備荷載。

2.2 殼體構造

殼體板，加強筋，殼體梁，殼體內(nèi)支撐，立柱。

2.3 荷載分析

依據(jù)《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》(GB500 09-2006)及《建筑抗震設計規(guī)范》(GB5 0011-200)進行計算及組合。

2.3.1 地震荷載

依據(jù)除塵器工藝參數(shù)及《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）在分析軟件中輸入相關地震參數(shù)，在對模型進行內(nèi)力分析時選擇地震周期振型分析，則分析軟件自動計算分配地震荷載。

2.3.2 風荷載

基本風壓值0.55KN/m2，受力單元為壁板加強筋，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算模型。

2.3.3 檢修荷載

檢修荷載標準值取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筋，計算公式為： (Qj——施加于角鋼加強筋的均布檢修荷載；a——加強級間距)

2.3.4 雪荷載

在本工程中由于檢修荷載標準值取2.0KN/m2＞基本雪壓值0.65KN/m2，因此在荷載組合時不組合雪荷載。

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

2.3.6 負壓荷載

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

圖1 計算簡圖(圓表示支座，數(shù)字為節(jié)點號)

圖2 計算步驟見圖

2.4 壁板計算

依據(jù)除塵器設計耐壓值及板厚，對壁板的計算確定壁板加強筋的最大間隔，對壁板的計算按單項拉彎構件來計算，其計算方法如下：

式中M0——不考慮板中拉力按簡支板計算的跨中最大彎矩，α取0.1；w0——不考慮板中拉力按簡支板計算的跨中最大撓度，當為均布荷載時可取為；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準值；E1——板面風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——加強筋間距。

2.5 計算機建模及校核計算

2.5.1 結(jié)構簡化

1）構造的簡化

a.殼體板簡化處理：不考慮板體的密封作用，按層設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造柱，小構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，負壓載荷定義為垂直于板體的均布荷載。

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

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

2）構件截面的選擇

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

b.梁截面選擇：由于殼體梁主要承擔加強筋傳來的課題負壓荷載，故殼體梁選擇時盡量選擇平面內(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，在模型中對截面進行分析計算選優(yōu)。

c.柱截面選擇：柱為軸心受壓構件，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)部支撐的簡化：殼體內(nèi)部支撐為軸心受力構件，因此盡量選擇截面性能各向相同的型材，在模型中對截面進行分析計算選優(yōu)。

2.5.2 建立實體模型

對簡化后的殼體結(jié)構在分析計算軟件中利用實體建模模塊建立計算機模型，建立計算機實體模型是各構件的方位及連接方式須與實際結(jié)構相同，模型建立后計算簡圖見圖1發(fā)。

2.5.3 受力分析及驗算

先檢查計算模型的單元釋放、計算長度、構件方位及支座等的定義是否正確，然后將風荷載導為各受力構件的單元荷載，接著進行地震荷載的定義及計算，最后進行內(nèi)力分析及設計驗算，現(xiàn)將計算步驟見圖2。

2.5.4 結(jié)構優(yōu)化調(diào)整

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

1）壁面加強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，個別立柱從穩(wěn)定性考慮，將H型鋼開口處用鋼板封口處理，提高鋼柱截面力學性能；

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

2.5.5 計算結(jié)果分析

經(jīng)過對模型的多次調(diào)整優(yōu)化，通過對最不利的前10個單元強度穩(wěn)定及撓度的計算值統(tǒng)計及對所有單元的強度穩(wěn)定性統(tǒng)計結(jié)果表明，在各種荷載按不同工況和組合作用下，所有構件的強度應力比小于1、抗剪應力比小于1、整體穩(wěn)定應力比小于1、長細比及撓度均滿足《鋼結(jié)構設計規(guī)范》(GB50017-2003)中規(guī)定，說明結(jié)構的設計和選材是合理的。

3.結(jié)束語

鋼結(jié)構分析計算軟件對除塵器殼體按三維空間結(jié)構進行分析計算，能夠真實模擬結(jié)構的各種受力及變形情況，因此計算結(jié)果更合理準確。對結(jié)構進行合理簡化處理，正確建立分析計算模型，通過計算機受力分析及優(yōu)化，滿足除塵器工藝設計要求，保證整體結(jié)構的安全性。

[1]鋼結(jié)構設計規(guī)范,GB 50071-2003[M].中國計劃出版社,2003.

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

[3]建筑抗震設計規(guī)范,GB 50011—2001[M].中國建筑工業(yè)出版社出版,2001.

[4]李寶熺,除塵設備中的板筋結(jié)構計算方法總結(jié)[C].第十二屆全國電除塵學術會議論文集,2007.

[5]袁勤澤等,大型電除塵器灰斗及底梁的結(jié)構設計和校核[C].第十二屆全國電除塵學術會議論文集,2007.

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