某深錐高效沉降槽上部桁架結構設計及計算分析

李善敏，吳道林，張曄，王培

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

氧化鋁的生產是鋁工業鏈中的重要一環，針對不同特點的鋁土礦，氧化鋁廠可采取不同的生產工藝。目前主要有拜耳法、堿石灰燒結法和拜耳-燒結聯合法3 種。但無論是采用拜耳法還是燒結法，還是聯合法生產氧化鋁，赤泥的沉降分離是一個不可或缺且對后續流程有重要影響的環節。

沉降槽作為固液分離設備廣泛應用于化工工業中，現代沉降理論，實驗和生產實踐證明，沉降槽性能的先進性與沉降槽高度密切相關，其規格大小與目標產能相關。在氧化鋁生產流程中，沉降槽主要用于赤泥的分離、洗滌及沉降等，是液固分離用的重力沉降設備。一般來說，用于工業化生產的深錐高效沉降槽一般都具有直徑大、高度高的幾何特點，且須配備用于耙除沉降于底部物料的耙機裝置。隨著氧化鋁生產技術的持續發展、設備裝備水平的不斷提高，深錐高效沉降槽設備的大型化作為氧化鋁生產系列的大型化的關鍵支撐設備，可以有效地降低氧化鋁廠的生產成本和工程投資，同時也可達到節能降耗、優化全廠技術經濟指標的要求。

1 上部桁架結構方案設計

文獻[1]指出氧化鋁生產過程中，由于沉降分離操作上的各種失誤，常出現沉降槽“跑渾”及“垮槽”等事故，造成極大的經濟損失。近年來，高效深錐沉降槽在我國應用廣泛，隨著深錐高效沉降槽設備的大型化，其耙機系統自重及可承受的扭矩也越來越大，有必要對其上部桁架進行結構設計及計算分析，保證耙機系統的安全可靠性，確保不發生事故。

PKPM 結構系列軟件是中國建筑科學研究院研制的，可以應用于建筑結構的建模、計算、繪圖等，PKPM 結構系列軟件采用人機交互方式，操作簡單，功能強大，主要由PMCAD、STS、PK 等模塊組成。鋼桁架的計算分析也由原來的手算改為電算，PKPM 軟件越來越廣泛應用于鋼桁架的計算分析中。

本文通過某新建氧化鋁工程實例，對其在行業中首次采用的φ26m 深錐高效沉降槽（如圖1 所示）上部桁架進行空間結構設計建模與計算分析。從該深錐高效沉降槽設計要求得出以下參數：沉降槽直徑：26m，耙機重量：約50t，設計扭矩：3600kN·M。應用PKPM 結構系列軟件對上部桁架結構進行方案設計。

圖1 Φ26m 深錐高效沉降槽

2 上部桁架結構模型的建立與計算

首先進入結構系列軟件PKPM 的PK 交互輸入與優化計算輸入桁架模型。可以采用快速建模或者網格生成來建立模型，其中各桁架桿件均以桿布置，本文模擬時忽略次彎矩將桁架節點視為鉸接。桁架一般采用一端固定鉸支座，一端滑動鉸支座的兩端簡支進行設計。

2.1 載荷工況條件

根據此沉降槽設計要求，耙機總重約50t，可分為4 個節點來施加，每個節點力為125kN（Z 方向）；同時把扭矩3600kN·M 用Solidworks Simulation 計算轉換為4 個節點的力（X 方向和Y 方向各4 個力）來施加，如圖2 和圖3 所示。

圖2 上部桁架結構方案三維模型

圖3 載荷圖(單位KN)

2.2 桁架總重

模型建立好后，直接可讀取各類截面鋼桿件自重(t)，如表1。

表1

2.3 施加約束條件

上部桁架中角鋼L140X14、L150X14、背對背角鋼L140X14 組合構件為兩端鉸接，其余采用兩端剛。

左側底部兩節點的約束條件：限制X、Y、Z 三個方向位移自由度。

右側底部兩節點的約束條件：限制Y、Z 兩個方向位移自由度。

2.4 結構計算分析參數定義

根據前面建立的三維模型，施加的載荷及約束，接下來對其進行結構計算分析參數定義，根據該工程所在實地現場的條件，具體實施如圖4、圖5 所示。

圖4 參數定義（一）

圖5 參數定義（二）

3 計算結果及分析

3.1 桁架應力比

應力比其實就是效應/抗力，此值越低，設計安全儲備就越高。此值越接近于1，越經濟，但卻不一定合理。因此鋼桁架設計時，務必保證應力比小于1，但是也不能太小，太小就不經濟，浪費資源。配筋包絡和鋼結構應力比圖是試算截面合理性的一個依據。

因底面桁架應力比大于頂面桁架，所以從底面桁架應力比圖6 可以看出，各應力比都小于1，所以滿足要求。其中下弦桿處應力比最大。

圖6 底面桁架應力比

3.2 桁架長細比

長細比即構件計算長度與構件截面回轉半徑的比值。按照鋼結構設計規范要求，桁架受壓桿件的長細比小于150，受拉桿件的長細比小于250。

因頂面桁架長細比大于底面桁架，所以從頂面桁架長細比圖7 可以看出，此桁架設計滿足長細比要求。

圖7 頂面桁架長細比

3.3 位移結果

位移也是設計控制的一個指標，可以從活荷載作用下的位移圖上找出節點的最大位移，驗算最大位移是否滿足鋼結構規范中位移的限制要求。在活載荷下的位移圖如圖8、9、10 所示，可以看出，位移很小，滿足設計要求。

圖8 X 方向位移

圖9 Y 方向位移

圖10 Z 方向位移

4 結語

隨著氧化鋁產能的不斷提高，為滿足工業化生產的要求，沉降槽的性能是否能達標，結構是否經濟合理，不僅將直接影響建設成本，也將直接影響產品質量和使用壽命。

結合實際工程，應用鋼結構設計軟件PKPM 對φ26m 深錐高效沉降槽上部桁架進行空間結構設計建模，并通過Solidworks Simulation計算將扭矩轉換為4個節點的力，最后進行計算分析。通過分析結果可知，此沉降槽上部桁架結構的應力比、長細比、活載荷下的位移均滿足設計要求，符合實際工況，保證了耙機系統的安全可靠性，通過生產實踐驗證，此深錐高效沉降槽已在多個工程項目上安全、高效運行。