淺談大型布袋除塵器殼體的結構設計及計算

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；板筋結構

1.綜述

布袋除塵器作為現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得到了日益廣泛的應用，而且單體除塵器的發展趨向大型化，但目前還缺少成熟的設計理論及規范要求。對于大型布袋除塵器殼體在設計計算，荷載計算參考《建筑結構荷載規范》(GB50009－2001)，強度穩定校核參考《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)。隨著計算力學、計算機技術及軟件的發展，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，簡述利用鋼結構分析軟件進行除塵器殼體結構的設計計算方法。

2.1 除塵器工藝參數

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、內隔板、內支撐及頂板。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，殼體內支撐，立柱。

2.3 荷載分析

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

2.3.1 地震荷載

依據除塵器工藝參數及《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）在分析軟件中輸入相關地震參數，在對模型進行內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；殼體頂部清灰系統等附屬重量，為節點荷載，根據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，數字為節點號)

圖2 計算步驟見圖

2.4 壁板計算

依據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，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.殼體內部支撐：殼體內部支撐主要起平衡殼體負壓及抗側向力作用，結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。

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的截面參數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。

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.殼體內部支撐的簡化：殼體內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。

2.5.2 建立實體模型

對簡化后的殼體結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構相同，模型建立后計算簡圖見圖1發。

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，最后進行內力分析及設計驗算，現將計算步驟見圖2。

2.5.4 結構優化調整

通過比較采用不同種類型鋼及結構方式、連接方式，綜合各方因素確定最優方案。

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、安裝統一方便，最后統一采用HW200×200規格，個別立柱從穩定性考慮，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 計算結果分析

經過對模型的多次調整優化，通過對最不利的前10個單元強度穩定及撓度的計算值統計及對所有單元的強度穩定性統計結果表明，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、整體穩定應力比小于1、長細比及撓度均滿足《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)中規定，說明結構的設計和選材是合理的。

3.結束語

鋼結構分析計算軟件對除塵器殼體按三維空間結構進行分析計算，能夠真實模擬結構的各種受力及變形情況，因此計算結果更合理準確。對結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化，滿足除塵器工藝設計要求，保證整體結構的安全性。

[1]鋼結構設計規范,GB 50071-2003[M].中國計劃出版社,2003.

[2]建筑結構荷載規范,GB 50009—2001[M].中國建筑工業出版社出版,2002.

[3]建筑抗震設計規范,GB 50011—2001[M].中國建筑工業出版社出版,2001.

[4]李寶熺,除塵設備中的板筋結構計算方法總結[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。