大型脫硫塔結(jié)構(gòu)文丘里頂梁部分有限元分析

陳庭芳

1 引言

按全球的煤炭消費(fèi)和生產(chǎn)量排序，我國是世界上將煤炭為我們的主要能源的少數(shù)幾個國家之一。由于國家環(huán)保的強(qiáng)制性要求，我國從20世紀(jì)90年代開始對火力發(fā)電廠產(chǎn)生的廢氣中所含的SO2、等相關(guān)有害氣體的排放量就加進(jìn)行了嚴(yán)格控制，規(guī)定必須進(jìn)行煙氣脫硫。脫硫塔是我國火力發(fā)電廠進(jìn)行脫硫的主要設(shè)備，對于保護(hù)及改善環(huán)境、使SO2排放量符合我國環(huán)保的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、確保廣大群眾的身體健康都有重要的意義，它作為一種有效的脫硫設(shè)備，正發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

脫硫塔結(jié)構(gòu)多為特種結(jié)構(gòu)中的大型薄壁殼體鋼結(jié)構(gòu)，脫硫塔內(nèi)部有各種管道、支撐梁，塔體開設(shè)管道孔洞、煙氣進(jìn)出口，殼體壁板通過型鋼進(jìn)行加強(qiáng)，該體系結(jié)構(gòu)的形式復(fù)雜且多樣。對于脫硫塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，截至目前，沒有一部完整系統(tǒng)且適用的規(guī)范可循，專業(yè)人員在進(jìn)行分析計(jì)算時，由于缺乏必要的理論分析和指導(dǎo)，多依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)。并且建立模型過程中，通常采用把結(jié)構(gòu)分成各部分建立模型的方式進(jìn)行計(jì)算，選取的荷載較保守，使模型的分析結(jié)果有時不能完全符合實(shí)際，從而計(jì)算出的各構(gòu)件截面尺寸具有較大的保守性和盲目性，從而造成了材料的很大浪費(fèi)。但是進(jìn)行整體分析費(fèi)時費(fèi)力，所以結(jié)構(gòu)能否采用局部建模，成為一個比較關(guān)注的問題，一旦該結(jié)構(gòu)在整體與局部建模中的分析結(jié)果變化不大，就可以采用局部建模，減少工作量。因此，對脫硫塔殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的研究分析，為專業(yè)人員提供學(xué)可靠的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，具有非常重要的工程和實(shí)際意義[2]。本文僅對脫硫塔結(jié)構(gòu)的文丘里部分進(jìn)行局部與整體分析比較，文丘里頂梁結(jié)構(gòu)位于文丘里的頂部，在環(huán)梁的下部，位于標(biāo)高20.2m處。

2 文丘里結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 有限元分析軟件

MIDAS/Gen-建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析和設(shè)計(jì)軟件，由世界最大的結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)商之一的MIDASIT集團(tuán)開發(fā)。該軟件適用于各種結(jié)構(gòu)，如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等建筑，尤其是各類特種結(jié)構(gòu)（筒體、壩體、塔體結(jié)構(gòu)等）。本文采用MIDAS中的空間梁單元模擬各種加勁肋。該軟件的梁單元主要用于分析各種梁結(jié)構(gòu)單元，其特點(diǎn)是每個節(jié)點(diǎn)都具有6個自由度：即3個轉(zhuǎn)動自由度，3個位移自由度[3]。

2.2 模型基本情況

文丘里頂蓋承受文丘里結(jié)構(gòu)內(nèi)部的積灰荷載，結(jié)構(gòu)的自重及下部結(jié)構(gòu)重（1000kN）。積灰荷載考慮最不利情況，即積滿文丘里10m高，約為10000kN，合計(jì)為11000kN荷載。經(jīng)過計(jì)算等效為線荷載，142.8kN/m，施加在梁頂端。文丘里的約束情況為內(nèi)筒壁對結(jié)構(gòu)有Z向的約束，筒體不能沿環(huán)向轉(zhuǎn)動。文丘里頂梁采用Q345鋼，梁全部選普工40a。建立模型，約束邊界，施加荷載，如圖1所示。

3 文丘里計(jì)算結(jié)果分析

3.1 文丘里頂梁應(yīng)力圖（見圖2）

3.2 頂梁應(yīng)力與位移比較（見圖3）

3.3 積灰荷載作用下文丘里構(gòu)件內(nèi)力比較（見表1）

圖1 文丘里頂梁荷載圖（kN/m）

圖2 文丘里頂梁應(yīng)力圖（MPa）

圖3 文丘里頂梁應(yīng)力和位移比較圖

表1 積灰荷載作用下文丘里構(gòu)件內(nèi)力比較表

進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，二者在位移和應(yīng)力方面的差距較大，最大位移和最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)環(huán)梁上，且數(shù)值較大，這是正常情況。因?yàn)樵撃Ｐ褪呛喕嗽Y(jié)構(gòu)，原結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁是由文丘里的筒壁互相約束的，而此時只有外環(huán)梁有約束，因此，實(shí)際的位移和應(yīng)力應(yīng)該比該結(jié)果要小些。為保證設(shè)計(jì)時選取截面材料較符合實(shí)際，建議采用整體建模方法。為避免位移過大，應(yīng)當(dāng)在選擇梁截面時考慮加大，或者做其它支撐結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中。

4 結(jié)語

本文介紹了組成脫硫塔結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件文丘里的組成形式，構(gòu)件材料，以及在脫硫塔結(jié)構(gòu)中的位置，通過文丘里進(jìn)行詳細(xì)的建模分析，了解文丘里環(huán)梁部分在結(jié)構(gòu)中的受力情況、位移變形情況等，通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，以便今后在設(shè)計(jì)時需要加強(qiáng)及重點(diǎn)關(guān)注，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）文丘里頂梁在整體建模中，是處在最下面位置的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是將文丘里中的積灰荷載傳給支撐環(huán)梁，或者說它承受積灰荷載，環(huán)梁再承受它上面的荷載。

（2）在分析比較后發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由于單獨(dú)建模時，不考慮文丘里的約束與承載能力，使得結(jié)果要比整體下的大很多，建議相關(guān)設(shè)計(jì)建模盡量采用整體建模，考慮協(xié)同作用，達(dá)到仿真的效果。

（3）由于該結(jié)構(gòu)承受的是豎向荷載，但是中間部分的環(huán)梁沒有上部結(jié)構(gòu)的支撐，所以在荷載作用下，位移和應(yīng)力較大，可通過加大該部分梁的截面或者加適當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)等措施改善結(jié)構(gòu)情況。