散糧皮帶通廊結構靜態性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

散糧皮帶通廊結構靜態性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

皮帶通廊是散貨碼頭的主要設備之一，由于該類設備的設計壽命較長，結構體積較大，維護節點多，特別是長期處在海邊惡劣的工況條件下，其鋼結構容易發生銹蝕損傷，嚴重降低了通廊結構及整套設施的安全可靠性。以天津港第二港埠有限公司散糧皮帶通廊設備作為研究對象，根據該類設備的結構及工況特點，并依據設計圖紙及實際銹蝕損傷情況，建立有限元分析模型，深入研究了皮帶通廊結構的靜態性能，為皮帶通廊的維護方案提供了理論依據。

皮帶通廊 載荷分析 有限元

0 引 言

天津港第二港埠有限公司的皮帶通廊系統由英國西蒙公司設計制造，并于1988年投入使用，是當時國內首個超長距離鋼結構氣動皮帶通廊，其主要作業對象為小麥和大豆，設計裝卸效率為1,000,t/h，至今已運行27年。由于地處沿海，氣候終年潮濕，且空氣鹽分含量極大，加之堆積在通廊鋼結構上的物料得不到及時清理，易造成通廊鋼結構的銹蝕損傷，這種嚴重的銹蝕損傷在一定程度上降低了通廊結構的安全性能，如圖1所示。因此，為保證設備正常運行，有必要對皮帶通廊的結構狀況進行定期檢測，并加強對受力集中區域和薄弱部位的檢查。

圖1 皮帶通廊結構銹蝕損傷Fig.1 Corrosion damages of belt corridor structure

1 通廊結構特性及載荷分析

1.1 通廊結構材料特性

皮帶通廊鋼結構主要采用Q235鋼材制造，其彈性模量：E=2.06×1011MPa (N/m2)，泊松比：μ= 0.3，能很好滿足工作中產生的較小位移和應變要求。根據鋼結構梁的厚度，取安全系數n=1.5，則許用應力為：

1.2 通廊結構載荷分析

該通廊結構全長共800,m，由26個平跨及23個拱跨鋼結構構成。由于篇幅所限，本文僅選取其中一段56,m損傷較嚴重的平跨結構作為研究對象。在正常作業條件下，該段平跨結構主要承受的載荷有自重載荷、物料載荷及風載荷，具體分析如下：

1.2.1 自重載荷

56,m平跨結構自重為82,228,kg，取重力加速度為9.8 m/s2，則56,m平跨結構自重載荷為：

1.2.2 物料載荷

根據皮帶實際運行速度計算，皮帶物料載荷取100,kg/m，則56,m平跨結物料總載荷為：

1.2.3 風載荷

由于皮帶通廊結構位于碼頭前沿，故其結構將不可避免地承受風載荷的作用。為考慮最不利情況，方向取為與全局坐標系Z軸平行，以及與皮帶通廊縱向相垂直的水平方向。同時，要分別考慮工作狀態和非工作狀態下的載荷情況(其中工作狀態風載荷取相應風速為25,m/s，非工作狀態風載荷取相應風速為55,m/s)。由此，風載荷的計算公式為：

式中，C為風力系數，Kh為風壓高度變化系數，β為陣風系數為風壓，其中v為風速，A為結構件垂直于風向的實體迎風面積。

2 Ansys有限元分析

2.1 有限元模型

本文研究的56,m平跨結構(見圖2)，其連接構件可用其軸線來代替，構件之間的節點可根據實際情況簡化為鉸接點和固定接點，模型使用ANSYS單元庫所提供的BEAM189單元進行建模。其中，節點共計3,035個，單元共計1 404個，如圖3所示。其中子跨結構每端部的4個節點在X、Y、Z方向固定，在ROTx，ROTy，ROTz方向上自由。

圖2 56,m平跨結構工程圖Fig.2 Engineering drawing of a 56,m span structure

圖3 56,m平跨結構有限元模型Fig.3 Finite element model of a 56,m span structure

在對模型進行結構受力計算之前，首先要確定載荷工況，其目的是使計算結果能夠與皮帶通廊結構處于最不利工況時結構件的受力相一致。根據皮帶通廊結構特點及風速大小，取以下兩種載荷工況作為對皮帶通廊結構件受力分析依據。

工況一(最大工作風載工況)：

結構自重載荷＋物料載荷＋25,m/s風載，風向與全局坐標系Z軸平行。

工況二(最大非工作風載工況)：

結構自重載荷＋55,m/s風載，風向與全局坐標系Z軸平行。下面對上述兩種工況分別進行分析。

2.2 靜態性能分析

2.2.1 工況一

工況一狀態下，結構加載如圖4所示，其中結構自重載荷以整體慣性載荷形式施加，取重力加速度g=9.8m/s2，方向沿Y軸正向，對前后兩片桁架沿Z軸負向施加。該工況下，結構整體應力云圖如圖5所示，4根水平弦桿應力云圖如圖6所示，內部框架結構應力云圖如圖7所示。由圖可見，56,m平跨結構最大計算應力為σp1max=71MPa ＜[σ]，滿足靜強度要求。

圖4 工況一結構加載圖Fig.4 Structure loading under working condition 1

圖5 工況一結構整體應力云圖Fig.5 Overall stress map of the structure under working condition 1

圖6 水平弦桿應力云圖Fig.6 Stress map of horizontal chord member

圖7 內部框架應力云圖Fig.7 Stress map of interior frame

2.2.2 工況二

工況二狀態下，結構加載方式同工況一，但風載荷對應風速為55,m/s，結構加載圖如圖8所示。該工況下，結構整體應力云圖如圖9所示，4根水平弦桿應力云圖如圖10所示，內部框架結構應力云圖如圖11所示，其結構最大計算應力為σp2max=151.2MPa ，雖滿足靜強度要求，但已十分接近結構許用應力。

圖8 工況二結構加載圖Fig.8 Structure loading under working condition 2

圖9 工況二結構整體應力云圖Fig.9 Overall stress map of the structure under working condition 2

圖10 水平弦桿應力云圖Fig.10 Stress map of horizontal chord member

圖11 內部框架應力云圖Fig.11 Stress map of interior frame

3 結 論

由于銹蝕損傷的存在，皮帶通廊結構所受應力水平相應提高，惡化了皮帶通廊結構的受力狀態。其中，工況一狀態下，皮帶通廊結構能夠滿足靜強度性能要求。但在工況二狀態下，其結構的最大應力已非常接近結構許用應力，在極端情況下可能造成通廊結構的破壞性損傷。因此，要根據有限元分析結果，加強對該段通廊結構的維護和動態檢查力度，必要時要采取加固措施，確保皮帶通廊的運行安全。■

［1］ 皮帶運輸機通廊建筑構造(09J904)[Z]. 中國建筑標準設計研究院，2009.

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［3］ 潘東毅. 大跨度鋼管桁架結構非線性穩定性研究[J].企業導報，2011(17)：295-296.

［4］ 蔡晶，吳智深，李兆霞. 靜力載荷作用下結構參數識別及狀態評估的統計分析[J]. 工程力學，2004，21(6)：76-83.

［5］ 王世忠. 結構力學與有限元法[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業出版社，2003.

［6］ 龔曙光. ANSYS基礎應用及范例解析[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

Static Performance Analysis on Bulk Grain Belt Corridor Structure

WANG Jingqi
(Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd，Tianjin 300456，China)

Belt corridor is a major bulk terminal equipment．Due to its long design life，bulky structure，maintenance complexity，especially harsh seaside working conditions，the corridor’s steel structure is susceptible to corrosion damage，which severely reduces the safety and reliability of the gallery structure．Taking bulk grain belt corridor device in Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd as the research subject，a finite element analysis model was established according to characteristics of the structure and condition of such equipment and in accordance with design drawings and actual corrosion damages．An in-depth study of the static performance of belt corridor structure was carried out，which provides a theoretical basis for the maintenance management scheme.

belt corridor；load analysis；finite element

TS21

A

1006-8945(2016)03-0051-03

2016-02-22