風(fēng)管鋼支架在水泥廠結(jié)構(gòu)中的設(shè)計分析

我國工業(yè)生產(chǎn)占國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位，為人民日常生活提供物質(zhì)保障。現(xiàn)階段，國家工業(yè)發(fā)展水平與國民經(jīng)濟、國家地位、綜合國際、科技領(lǐng)域等方面具有舉足輕重的作用。工業(yè)發(fā)展與基礎(chǔ)原材料的生產(chǎn)息息相關(guān)，水泥廠建設(shè)作為工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，水泥廠風(fēng)管作為傳輸介質(zhì)的重要媒介，風(fēng)管的設(shè)計能力是水泥廠生產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素。目前，隨著水泥廠生產(chǎn)能力的提高，風(fēng)管直徑逐漸增大，對風(fēng)管支撐鋼架的要求也越來越高。現(xiàn)階段，我國風(fēng)管剛支架計算模型和計算方法尚沒有成熟的體系，在水泥廠實際運行過程中，風(fēng)管受力情況也受多種因素影響而發(fā)生變化，計算較為復(fù)雜。在設(shè)計工作中，需結(jié)合風(fēng)管對支架的作用以及支架所受荷載作用的變化，分析選擇受力模型，并選定主要影響因素對模型進(jìn)行簡化處理進(jìn)行計算。

1 管道支架分類及鋼支架荷載計算

1.1 管道支架分類

按照風(fēng)管安裝工程的不同，可將水泥廠鍋爐至沉降室之間的風(fēng)管支撐分為固定支架和活動支架兩種類型。下面分別對兩種支架的特征進(jìn)行分析:

(1)固定支架。固定支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐和沉降室之間的熱風(fēng)管道由膨脹節(jié)斷開，支座與管道中部位置焊接，支架所受壓力主要為自身重力、管道重力和支撐點與管道不對稱所產(chǎn)生的不平衡力矩。

圖1 固定支架結(jié)構(gòu)

圖2 活動支架結(jié)構(gòu)

(2)活動支架。活動支架結(jié)構(gòu)如圖2所示。熱風(fēng)管道與鍋爐和沉降室連接處與固定支座類似，通過膨脹節(jié)斷開，支座和管道支撐點焊接而成，但支座和支撐鋼架是可以活動的，支架需承受風(fēng)管重力和活動產(chǎn)生的摩擦力影響。

2 鋼支架頂?shù)暮奢d計算

計算鋼支架荷載量，首先構(gòu)建鋼支架計算模型，將支架與管道連接處的荷載視為點荷載，輸入計算模型中，點荷載取值主要參考支架頂部所受豎向力和彎矩的作用，尤其支架本身截面小，所受到的風(fēng)荷載作用可忽略不計。支架所受荷載作用主要為恒活荷載，即上部的風(fēng)管的自重，其作用可視為節(jié)點荷載，若上部風(fēng)管直接較大，還需考慮設(shè)備所受風(fēng)荷載的影響，將風(fēng)荷載對支架的作用，視為節(jié)點荷載，其作用點主要集中于柱頂，迎風(fēng)面風(fēng)荷載計算公式如下:

式中:us—風(fēng)荷載體型系數(shù);ux—風(fēng)壓高度系數(shù)，具體數(shù)值參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范內(nèi)容;Wo—基本風(fēng)壓;βz—高度為Z處的風(fēng)振系數(shù)。

3 支架建模與計算

3.1 支架二維模型構(gòu)建

(1)模型計算前，需對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，常用處理方法包括以下幾種:①活動支架的受力主要來自豎向力的作用，支架上部設(shè)備自重以及桿件產(chǎn)生的彎矩作用，一般選取工字鋼或槽鋼作為支架結(jié)構(gòu)，按柱輸入;②腹桿受力情況通常表現(xiàn)為軸心受力，可選擇角鋼或者角鋼組合作為支架結(jié)構(gòu)，桿件采用兩端鉸接的方式;③在檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計時，選用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》作為檢驗規(guī)范，具體方式為:支架采用四柱支撐時，榀支架間為垂直和水平支撐，可采用對兩榀建模進(jìn)行建設(shè)，支柱長度以無側(cè)移情況發(fā)生為準(zhǔn)，進(jìn)行計算;當(dāng)支架采用兩柱支撐時，柱長度需以發(fā)生側(cè)移進(jìn)行計算。

(2)計算前需使用系統(tǒng)對支架進(jìn)行優(yōu)化，隨后點擊“結(jié)構(gòu)計算”，計算機可對桿件內(nèi)力、桿件強度、穩(wěn)定性和變形量進(jìn)行系統(tǒng)分析驗算。在對桿件進(jìn)行驗算時，應(yīng)注意:①檢查系統(tǒng)分析的節(jié)點位移圖、彎矩圖和軸力圖是否與實際情況相符合，如出現(xiàn)分析錯誤，需對輸入模型系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，查找異常發(fā)生的原因。②模型計算得出的應(yīng)力圖能夠直觀反映出桿件的強度和穩(wěn)定度是否符合設(shè)計要求。③系統(tǒng)中的超限信息文本內(nèi)容，能夠幫助使用者快速查出不符合設(shè)計要求的項目，然后針對具體項目查看其詳細(xì)信息，并尋求解決方法。④需要查看風(fēng)載作用節(jié)點位移變化情況，檢查風(fēng)荷載產(chǎn)生的位移是否符合設(shè)計規(guī)范要求。

3.2 支架三維模型構(gòu)建

首先需建立支架結(jié)構(gòu)整體模型，使用SATWE、TAT軟件對模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)分析計算，將計算結(jié)果進(jìn)行節(jié)點設(shè)計，主要方法如下:(1)在系統(tǒng)中輸入模型，將CAD或PM鋼結(jié)構(gòu)框架模型直接導(dǎo)入系統(tǒng)中;(2)利用PMSAP對模型整體和各構(gòu)件進(jìn)行分析計算;(3)對型鋼截面進(jìn)行優(yōu)化處理，計算并擋風(fēng)系數(shù)。

4 施工圖設(shè)計及相關(guān)問題處理

4.1 支架施工圖設(shè)計

采用二維計算模型時可采用支架施工圖直接輸入系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，二維系統(tǒng)能夠?qū)⒔卿摗⒐ぷ咒摻M成的立柱，雙角鋼、單槽鋼和雙槽鋼等結(jié)構(gòu)所組成的腹桿結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行自動繪制，程序能夠自動計算出支架焊縫、節(jié)點、填板和材料等類型和要求，自動繪制施工圖。支架所用材料中工字鋼可分為焊接工字鋼、熱軋普通工字鋼和H型鋼三種形式，腹桿的連接方式也包括多種，系統(tǒng)可以按照輸入條件進(jìn)行刪選。但空間結(jié)構(gòu)計算時不能自動繪制出施工圖，需要設(shè)計人員結(jié)合二維結(jié)果，繪制施工圖。

4.2 相關(guān)問題處理

(1)對模型計算結(jié)果進(jìn)行分析可知，主受力件三維計算結(jié)果大于二維計算，可能由于支架自身風(fēng)荷載偏大。利用PKPM程序進(jìn)行計算，程序?qū)⒅Ъ軅?cè)面默認(rèn)為封墻，與實際情況不符，增大了風(fēng)荷載的作用影響，因此計算數(shù)值偏大，導(dǎo)致桿件選型也偏大;(2)支架是主要受力結(jié)構(gòu)，主要承受軸向力作用，支架系統(tǒng)內(nèi)立柱為主要承重構(gòu)件，各立柱間荷載較小，可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，選取經(jīng)濟合理的設(shè)計方案;(3)風(fēng)管設(shè)計時，分管支座落在鋼支架頂端，風(fēng)管荷載作用能夠均勻傳給連接處的鋼板，因此，提高連接處鋼板剛度，可以有效緩解支點位置在風(fēng)管上不對稱引起的彎矩作用。建模過程中，可將風(fēng)管荷載視為點作用力加在梁頂;(4)利用模型對支架分析結(jié)果可知，支架層高與總高度最佳比值在1/5-1/6之間，斜桿與豎向立柱間的夾角宜取45度;(5)根據(jù)上述模型計算結(jié)果，編制鋼支架計算說明書。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要得出以下結(jié)論:(1)水泥廠生產(chǎn)中支撐風(fēng)管的鋼支架在熟料加工和余熱發(fā)電項目中使用非常廣泛。本文利用PKPM軟件對水泥廠風(fēng)管支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)建計算模型，并結(jié)合設(shè)計規(guī)范要求，進(jìn)行桿件選型和數(shù)值計算;(2)在模型構(gòu)建和計算過程中，應(yīng)注意各構(gòu)件間的相互影響，保障模型計算的準(zhǔn)確性;(3)在傳統(tǒng)風(fēng)管支架設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)模型計算，優(yōu)化和創(chuàng)新管道支架設(shè)計方法。