基于ANSYS的煙囪液壓平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析

胡婷，梁慶純，閆玉萍

(1.鄭州科潤(rùn)機(jī)電工程有限公司，鄭州 450015;2.東北電業(yè)管理局煙塔工程公司，遼寧 錦州 121000;3.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450015)

1 液壓施工平臺(tái)主結(jié)構(gòu)概述

液壓施工平臺(tái)由中心鼓圈、輻射梁、拉索、環(huán)梁、外吊架、井架及抱桿等組成。輻射梁頂面用于施工材料、設(shè)備的臨時(shí)堆放及人員的水平輸送;平臺(tái)頂面設(shè)置一根抱桿，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)形成簡(jiǎn)易的垂直運(yùn)輸工具;煙囪筒壁混凝土內(nèi)均勻埋設(shè)爬桿，由穿心式液壓千斤頂通過(guò)爬桿向上爬升，從而帶動(dòng)輻射梁上升，實(shí)現(xiàn)液壓平臺(tái)的提升。液壓施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于液壓施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超靜定次數(shù)高、所受荷載種類繁多，手算過(guò)程比較繁瑣并且會(huì)因過(guò)度簡(jiǎn)化而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此，本文采用有限元軟件對(duì)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果對(duì)施工平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。

2 液壓施工平臺(tái)主結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 計(jì)算模型

此次模擬原點(diǎn)位于平臺(tái)中心，z軸正向?yàn)樨Q直向上，x軸和y軸在平臺(tái)面內(nèi)分別指向直徑方向。以各型鋼的形心軸線建立模型，系統(tǒng)包括中心鼓圈上環(huán)附屬桿、中心鼓圈上環(huán)支撐桿、中心鼓圈上環(huán)、中心鼓圈下環(huán)、中心鼓圈立桿、輻射梁、拉索、環(huán)梁、井架和爬升桿。模型拉索采用LINK10單元，其他桿件均采用 BEAM188單元［1］。

由于爬升桿埋在混凝土里，因此此次模擬約束爬升桿6個(gè)自由度，即固定約束。整體模型如圖2、圖3所示。

2.2 計(jì)算工況

圖1 液壓施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)的強(qiáng)度按最不利工況計(jì)算:平臺(tái)處于10 m以下標(biāo)高，筒身外半徑為18500mm，混凝土壁厚650 mm，抱桿工作，可變荷載作用在輻射梁上。

圖2 整體模型剖面圖

圖3 整體模型約束圖

平臺(tái)的剛度按最不利工況計(jì)算:抱桿工作，可變荷載作用在平臺(tái)中心。

2.3 計(jì)算荷載

永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，基本風(fēng)壓按0.6 kN/m2考慮。按規(guī)范［2］要求，驗(yàn)算撓度應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算承載力應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值。平臺(tái)荷載分類見表1。

表1 平臺(tái)荷載分類

2.4 原結(jié)構(gòu)計(jì)算成果分析

施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示(以下應(yīng)力單位均為MPa，位移單位均為mm)。

圖4 原結(jié)構(gòu)整體復(fù)合應(yīng)力

圖5 原結(jié)構(gòu)整體豎向位移

根據(jù) GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，由于鋼材采用Q235鋼且厚度小于16 mm，因此鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［σ］=215.0 MPa。

此平臺(tái)為特殊結(jié)構(gòu)形式，豎向剛度無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可查，用戶根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)及施工要求［3-6］確定結(jié)構(gòu)撓度容許值［f］=l/250。平臺(tái)整體跨度l1=35280 mm，撓度許用值［f1］=l1/250=141.1mm;鼓筒上平面最長(zhǎng)平桿長(zhǎng)度l2=11 710 mm，撓度許用值為［f2］ =l2/250=46.8 mm。

根據(jù)原結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果可知:中心鼓圈上平面平桿、中心鼓圈上環(huán)等應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力215.0 MPa。由于中心鼓圈直徑較大，上平面平桿支撐力不夠，導(dǎo)致其局部強(qiáng)度嚴(yán)重不足，不能滿足平臺(tái)的受力要求，考慮加大型鋼型號(hào);同時(shí)，由于環(huán)梁應(yīng)力較小，考慮減小環(huán)梁型鋼型號(hào)。由原結(jié)構(gòu)位移結(jié)果可知:最大豎向位移出現(xiàn)在平臺(tái)中心，為241.0 mm＞［f1］=141.1mm，撓度不能滿足要求。主要是因?yàn)槠脚_(tái)跨度大，輻射梁提供的支撐剛度有限，平臺(tái)整體下?lián)陷^多，因此考慮加大輻射梁型鋼型號(hào)。

2.5 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)計(jì)算成果分析

結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果如圖6～圖13所示。

圖6 優(yōu)化后整體復(fù)合應(yīng)力

圖7 優(yōu)化后中心鼓圈上弦復(fù)合應(yīng)力

圖8 優(yōu)化后輻射梁復(fù)合應(yīng)力

由優(yōu)化后的平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果可知:中心鼓圈上弦最大應(yīng)力為219.7 MPa＞［σ］=215.0 MPa，超出許用值2%(如圖7所示)。分析其原因?yàn)楣耐采掀矫嫫綏U與輻射梁相交處拉開距離，此時(shí)為抱桿工作，施工可變荷載作用在輻射梁上，施工過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)測(cè)。輻射梁最大應(yīng)力為210.5 MPa，環(huán)梁最大應(yīng)力為106.3 MPa，中心鼓筒下弦最大應(yīng)力為195.4 MPa，以上應(yīng)力均小于許用值，滿足設(shè)計(jì)要求(如圖8～圖10所示)。

圖9 優(yōu)化后環(huán)梁復(fù)合應(yīng)力

圖10 優(yōu)化后中心鼓圈下弦復(fù)合應(yīng)力

圖11 優(yōu)化后鋼絲繩拉力

圖12 優(yōu)化后整體豎向位移

按《建筑施工手冊(cè)》要求:直徑為28 mm的鋼絲繩計(jì)算得允許拉力為52.300 kN。由圖11可知，鋼絲繩最大拉力為49.742 kN，小于許用拉力，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 優(yōu)化后中心鼓圈上平面平桿位移

由以上結(jié)構(gòu)可知:整體最大豎向位移為128.6 mm＜［f1］=141.1mm，剛度滿足要求;鼓筒上平面平桿最大豎向位移出現(xiàn)在跨中，相對(duì)位移為128.6-87.6=41.0mm＜［f2］=46.8mm，剛度滿足要求。

3 結(jié)論

(1)中心鼓筒上弦最大應(yīng)力為219.7 MPa，超出許用值2%，在施工過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)測(cè);環(huán)梁的強(qiáng)度稍有富余，但其截面由結(jié)構(gòu)的剛度控制，因此無(wú)減小空間。

(2)在實(shí)際施工中應(yīng)盡量減小鼓筒上平面平桿與輻射梁之間的距離，使其中心線盡量交于一點(diǎn)，以減小桿端彎矩，降低應(yīng)力水平。

(3)平臺(tái)上的可變荷載盡量分開布置，特別是當(dāng)抱桿工作時(shí)，可變荷載盡量不要堆放在靠近抱桿附近的輻射梁跨中位置處，以防對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響［7］。

(4)由于頂升過(guò)程中的荷載較正常工作荷載小，反而會(huì)麻痹大意，頂升過(guò)程中需加以注意，保證頂升安全。

［1］劉國(guó)慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程:機(jī)械篇［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

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

［3］建筑施工手冊(cè)編委會(huì).建筑施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］中國(guó)建筑工業(yè)出版社.建筑施工技術(shù)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］中國(guó)建筑工業(yè)出版社.現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范大全［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［6］中國(guó)建筑工業(yè)出版社.現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)規(guī)范大全［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［7］液壓滑動(dòng)模板施工安全技術(shù)規(guī)程:JGJ 65—2013［S］.