基于ALGOR軟件的煙囪電動(dòng)提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析

李偉，張騫

(鄭州科潤(rùn)機(jī)電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

煙囪筒壁電動(dòng)提升模是一種新興的煙囪筒壁施工裝置，該裝置利用減速機(jī)作為豎向提升動(dòng)力，以煙囪筒壁為承載主體，通過附著于較高強(qiáng)度的鋼筋混凝土筒壁上的提升架和支模操作架，帶動(dòng)整體施工平臺(tái)提升，可同時(shí)完成筒壁與內(nèi)襯的施工。電動(dòng)提升模裝置由提升系統(tǒng)、操作平臺(tái)系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、起重機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)由不同的元件組成[1]。

鄭州科潤(rùn)機(jī)電工程有限公司受東電煙塔公司(以下簡(jiǎn)稱東電)的委托，依據(jù)東電提供的圖紙、技術(shù)資料及電動(dòng)提升模平臺(tái)載荷，借助有限元分析軟件ALGOR對(duì)該公司設(shè)計(jì)的用于煙囪施工的提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的核算[2-5]，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)和加強(qiáng)建議。

1 有限元分析軟件ALGOR

和傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，有限元計(jì)算能更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，直觀地得到任意部位的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，所以被越來越多的人使用。目前廣泛使用的有限元分析軟件ALGOR在建立有限元模型及對(duì)模型進(jìn)行有限元分析時(shí)都非常簡(jiǎn)單、方便，是自學(xué)者快速上手的理想選擇。

電動(dòng)提升模平臺(tái)主結(jié)構(gòu)主要由型鋼組成，平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力明確，因此在用ALGOR軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用Beam梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算即可取得較準(zhǔn)確的結(jié)果。另外也可選Plate板單元來進(jìn)行更加逼真的模擬，但由于型鋼面較多，模型建模難度大，需耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，所以整體建模時(shí)不采用板單元。

2 電動(dòng)提升模平臺(tái)主結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 提升模平臺(tái)主結(jié)構(gòu)有限元模型

提升模平臺(tái)系統(tǒng)包括中心鋼圈(拱圈)、平臺(tái)輻射梁、平臺(tái)鋼圈、懸拉索、平臺(tái)鋪板、內(nèi)操作架、外操作架及防護(hù)欄等。為了計(jì)算方便，在利用ALGOR軟件建模時(shí)，把實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留中心拱圈、輻射梁、平臺(tái)鋼圈、拉索等主要受力部件(如圖1所示)，把其余次要結(jié)構(gòu)當(dāng)作載荷，乘以相應(yīng)的載荷系數(shù)后直接施加到有限元模型上。

圖1 提升模平臺(tái)有限元模型

2.2 計(jì)算依據(jù)及載荷施加

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取載荷組合類別Ⅱ：在正常工作狀況下，考慮基本載荷與附加載荷同時(shí)作用的情況，用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算；剛度計(jì)算不考慮動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)[6]。因此，結(jié)構(gòu)自重系數(shù)φ1取1.1，動(dòng)載荷系數(shù)φ2取1.1，卷揚(yáng)動(dòng)載系數(shù)φ3取1.5。采用許用應(yīng)力法核算平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

基本載荷分為結(jié)構(gòu)自重載荷和移動(dòng)載荷，具體劃分如下。

結(jié)構(gòu)自重載荷：中心拱圈P1=程序自動(dòng)計(jì)入值，系數(shù)為φ1；輻射梁P2=程序自動(dòng)計(jì)入值，系數(shù)為φ1；鋼圈P3=程序自動(dòng)計(jì)入值，系數(shù)為φ1；拉索P4=程序自動(dòng)計(jì)入值，系數(shù)為φ1；抱桿P5=5 kN；平臺(tái)板P6=130 kN，系數(shù)為φ1，計(jì)入輻射梁自重載荷；吊籠P7=28 kN，系數(shù)為φ3，計(jì)入荷載P0；灰斗P8=4 kN，計(jì)入荷載P0；井架P9=10 kN，計(jì)入荷載P0；安全網(wǎng)P10=6 kN，系數(shù)為φ1。

移動(dòng)載荷:電焊機(jī)P11=5 kN；人員P12=16 kN，系數(shù)為φ2；吊籠砼P1a=67.2 kN，計(jì)入荷載P0；平臺(tái)砼P2a=28.8 kN；導(dǎo)索力P3a=40 kN，計(jì)入荷載P0；繩索自重載荷P4a=60 kN，計(jì)入荷載P0；隨機(jī)移動(dòng)載荷P5a=10 kN(此載荷按對(duì)結(jié)構(gòu)最不利位置施加)。

附加載荷主要為風(fēng)荷載，對(duì)平臺(tái)受力影響不大，因此可不考慮。

載荷均以集中力的方式施加在有限元模型上，力的方向?yàn)榇怪逼脚_(tái)平面向下，如圖2所示。其中：

P0=[(P7+P1a)×1.5+P3a+P4a+

P8+P9]/8=32.1 (kN) ，

F4=P5=5.0 (kN) 。

圖2 提升模平臺(tái)有限元模型載荷施加示意

提升模平臺(tái)主結(jié)構(gòu)材料采用Q235B，安全系數(shù)為1.33，拉、壓、彎曲許用應(yīng)力為177 MPa，剪切許用應(yīng)力為102 MPa，承壓許用應(yīng)力為265 MPa。

2.3 提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析

提升模平臺(tái)有限元分析的結(jié)果主要包括平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力，以及中心拱圈、輻射梁、平臺(tái)鋼圈、拉索主要受力部件的復(fù)合應(yīng)力。

2.3.1 平臺(tái)有限元分析結(jié)果

各部分主結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均為Q235B，只要有限元計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力小于177 MPa，即認(rèn)為合格；大于該值，即為不合格，需要改善結(jié)構(gòu)形式。

計(jì)算工況:正常工作狀態(tài)風(fēng)載荷下，平臺(tái)最外圈半徑為9 m時(shí)，煙囪施工人員在提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)上正常工作，平臺(tái)各結(jié)構(gòu)承受正常工作載荷。

2.3.2 結(jié)果分析

(1)由圖3和圖4可知，提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析最大復(fù)合應(yīng)力發(fā)生在中心拱圈處，造成這種現(xiàn)象的主要原因如下。

圖3 提升模平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力

圖4 中心拱圈結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力

1)拱圈上平面支撐梁局部強(qiáng)度嚴(yán)重不足，此處彎矩較大，型鋼不能滿足受力要求，如圖5所示。原結(jié)構(gòu)型鋼為25a槽鋼，改為2×25a槽鋼(背靠背)，加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6所示，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

2)拱圈立面腹桿結(jié)構(gòu)布置不合理，由圖7可知，腹桿3個(gè)方向應(yīng)力都較大，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理布置，減小某一方向的彎曲應(yīng)力。將原腹桿16等分改為24等分，并將腹桿和下弦節(jié)點(diǎn)與拉索連接座位置對(duì)應(yīng)。修改后腹桿為單向受壓桿，應(yīng)力大幅度減小，如圖8所示。

3)拱圈下弦結(jié)構(gòu)的25a槽鋼布置不合理。拱圈下弦所受的拉索拉力可分解為水平與垂直兩個(gè)分力，將拉索連接座與腹桿對(duì)應(yīng)，則垂直方向分力可直接傳至腹桿，不會(huì)引起下弦桿的豎向彎曲。水平方向的徑向拉力會(huì)使下弦桿出現(xiàn)水平彎曲，引起的彎曲應(yīng)力與下弦桿截面水平方向的截面模數(shù)成反比，因此為使下弦桿結(jié)構(gòu)受力更加合理，應(yīng)將下弦的25a槽鋼旋轉(zhuǎn)90°使用，結(jié)果如圖9所示。

圖5 中心拱圈上平面支撐梁復(fù)合應(yīng)力圖

圖6 中心拱圈上平面支撐梁加強(qiáng)后復(fù)合應(yīng)力圖

圖7 16等分中心拱圈腹桿復(fù)合應(yīng)力圖

圖8 24等分中心拱圈腹桿復(fù)合應(yīng)力圖

圖9 24等分中心拱圈下弦25a槽鋼轉(zhuǎn)90°復(fù)合應(yīng)力圖

(2) 由有限元計(jì)算結(jié)果可知，輻射梁和鋼圈的受力以受彎為主(如圖10、圖11所示)，且兩者的主結(jié)構(gòu)由型鋼組成，因此，按照GB/T 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)公式對(duì)梁的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算[7]。

圖10 輻射梁結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力

圖11 鋼圈結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力

輻射梁穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)力

σw1=135.8 MPa<[σ]=177 MPa ，

鋼圈穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)力

σw2=117.5 MPa<[σ]=177 MPa 。

(3)在上述工況下，拉索力最大值為95.54 kN(如圖12所示)，滿足拉索的受力要求，拉索合格。

圖12 拉索軸力圖

通過上述分析，重新建立電動(dòng)提升模平臺(tái)的有限元模型，經(jīng)過計(jì)算，最大復(fù)合應(yīng)力為170.1MPa，發(fā)生在中心拱圈處，滿足材料的復(fù)合應(yīng)力，產(chǎn)品合格，如圖13所示。

圖13 提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)修改后的復(fù)合應(yīng)力圖

4 結(jié)論

(1)借助ALGOR軟件對(duì)提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可知平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力發(fā)生在中心拱圈處，而中心拱圈的受力與拱圈上平面的支撐梁、拱圈腹桿的布置方式和型鋼的擺放位置緊密相關(guān)，因此應(yīng)合理地布置上述結(jié)構(gòu)。

(2)鋼圈截面由剛度控制，無減小空間。輻射梁截面由梁的整體穩(wěn)定性控制，可適當(dāng)減小。

(3)基于ALGOR的有限元分析，為煙囪提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析提供了可靠的計(jì)算依據(jù)，為提升模平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的有限元分析方法。鑒于ALGOR軟件操作的方便性和計(jì)算的準(zhǔn)確性，可以參照此方法對(duì)其他形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

參考文獻(xiàn)：

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[6]徐格寧.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[7]GB/T 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].