帶滑動支座型除塵器鋼框架設(shè)計研究

周海濤，侯廣超，趙永存，田 源

帶滑動支座型除塵器鋼框架設(shè)計研究

周海濤1，侯廣超2，趙永存2，田 源2

(1.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467001；2.河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467001)

結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、荷載工況特殊、設(shè)計要求特殊是除塵器鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的問題。結(jié)合具體帶滑動支座型除塵器鋼框架項目設(shè)計過程，研究了滑動支座的模擬方法，闡述了結(jié)構(gòu)在各特殊工況下的變形和內(nèi)力分布特征，分析了其受力機理，并列示了構(gòu)件應(yīng)力比和必要的變形計算結(jié)果。對此類工業(yè)建筑的設(shè)計提供借鑒。

帶滑動支座型除塵器；溫度荷載；負(fù)壓荷載；滿灰荷載；力學(xué)效應(yīng)

除塵器是廣泛應(yīng)用于建材生產(chǎn)、火力發(fā)電和冶金行業(yè)的大型空氣凈化設(shè)備，其主要用途是對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含粉塵氣體中的粉塵顆粒進行收集，使最終排出氣體中的殘余顆粒含量低于國家相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。典型除塵器主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成分為三層[1]：底部支架結(jié)構(gòu)層，中部設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)層(包括灰斗)，以及頂部剛架或鋼桁架結(jié)構(gòu)層，如圖1所示。

設(shè)備箱體內(nèi)安裝有各種用于除塵作業(yè)的機電設(shè)備，為支撐這些設(shè)備，箱體內(nèi)沿縱橫方向和豎向布置了大量鋼構(gòu)件，且四周和頂部均以薄鋼板(厚度以5 mm為主)滿焊覆蓋密封，箱體底部則連接用于集灰的灰斗(灰斗延伸到底部支架標(biāo)高范圍內(nèi))。底部支架的主要作用是把設(shè)備箱體支撐到一定標(biāo)高，以實現(xiàn)和其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的構(gòu)造連接。頂部剛架、桁架內(nèi)安裝懸掛吊車設(shè)備，用于設(shè)備箱體內(nèi)檢修工作開展。

圖1 典型除塵器鋼結(jié)構(gòu)

除塵器鋼結(jié)構(gòu)的特殊性在于：(1)企業(yè)正常生產(chǎn)時，除塵器運行溫度達到近200℃，極限溫度則達到200 ℃～300 ℃，這種溫度荷載工況導(dǎo)致的內(nèi)力和變形效應(yīng)非常顯著，是除塵器設(shè)計必須考慮的核心問題之一；(2)結(jié)構(gòu)安裝完畢時，重力荷載僅包括結(jié)構(gòu)自重和安裝活載，而設(shè)備工作時，灰斗內(nèi)會貯存大量的積灰，積灰的自重在灰斗滿灰的情況下可達到除塵器鋼結(jié)構(gòu)自重的3倍以上，即結(jié)構(gòu)重力荷載增加近3倍，因為正常生產(chǎn)企業(yè)里除塵器年運行時間在300 d以上，該灰荷載一般歸入結(jié)構(gòu)永久荷載類別內(nèi)；(3)為保證氣流在設(shè)備內(nèi)部的有序流動，除塵器設(shè)備箱體內(nèi)部在運行時處于負(fù)壓狀態(tài)，氣體壓力值隨項目變化，大體為-4～-7 kPa，遠(yuǎn)大于風(fēng)壓。在設(shè)計時，負(fù)壓荷載也應(yīng)作為一種工況考慮。

為降低設(shè)備箱體構(gòu)件所承受的高溫運行狀態(tài)帶來的溫度應(yīng)力和次生問題的發(fā)生，需要對約束二層設(shè)備箱體的底層支架與設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)間的連接構(gòu)造進行專門考慮[2]?；诎惭b需要，除塵器內(nèi)部構(gòu)件分布復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力效應(yīng)分布復(fù)雜。國內(nèi)關(guān)于除塵器鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的文獻和書籍，往往采用手工簡化粗算方法，普遍沒有對溫度荷載及負(fù)壓荷載等引起的力學(xué)效應(yīng)進行深入的分析和專門闡述，準(zhǔn)確性明顯不足。而研究類文獻往往集中于局部構(gòu)件進行計算分析，對于鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計很難發(fā)揮直接指導(dǎo)作用。

本文從建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的角度，結(jié)合中材集團某北非項目，以結(jié)構(gòu)設(shè)計流程為主線，采用帶滑動支座除塵器鋼結(jié)構(gòu)方案，對包括溫度荷載、負(fù)壓荷載及灰荷載在內(nèi)的各主要荷載工況引起的內(nèi)力和變形分布進行計算，并分析受力機理，然后進行荷載效應(yīng)的組合計算，得到各構(gòu)件應(yīng)力比并部分列示。

1 項目概況

本除塵器鋼結(jié)構(gòu)總長36.8 m，寬17.9 m，如圖2所示，由橫向凈間距為5 m的兩列共14臺單體組成。其中，地面標(biāo)高±0 m，底層支架標(biāo)高7.2 m，二層設(shè)備箱體頂標(biāo)高14.26 m，灰斗底部標(biāo)高1.76 m，三層剛架頂標(biāo)高20.26 m。各單體的設(shè)備箱體沿縱向內(nèi)側(cè)底部開洞口，接進氣設(shè)備，引入含粉塵氣體。氣體在設(shè)備箱體內(nèi)由除塵機械設(shè)備進行除塵作業(yè)后，從單體頂部進入凈氣室內(nèi)。而粉塵顆粒則落入設(shè)備箱體底部的灰斗內(nèi)。

底部支架材料為Q345，其他部分材料均為Q235-B，材料熱膨脹系數(shù)取值1.2×10-5/℃。由于設(shè)備箱體在極限狀態(tài)下要承受200℃以上高溫作用，根據(jù)文獻[3-4]試驗結(jié)果，260℃高溫作用下的構(gòu)件材料強度設(shè)計值應(yīng)予以0.75倍的折減考慮。

圖2 除塵器鋼結(jié)構(gòu)立面圖

根據(jù)允許滑動方向不同，滑動支座分為雙向滑動支座，縱向滑動支座和橫向滑動支座。其順滑動方向豎向剖面如圖3所示，其中下滑動塊上表面為四氟乙烯板，上滑動塊下表面為特殊不銹鋼鋼板，滑動面間摩擦系數(shù)取值0.02，俗稱四氟乙烯滑動支座，其布置如圖4所示。

圖3四氟乙烯滑動支座順滑動方向豎向剖面圖圖4底層鋼支架柱頂滑動支座布置示意圖

2 建模

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙進行空間數(shù)值建模。對于四周滿焊連接的圍護薄板或波紋板，面內(nèi)剛度較大，因此按等厚度板單元建模[5]。

滑動支座在其頂面承受一定的重力荷載作用的情況下，滑動面上的水平剪力從零增大到最大靜摩擦力后，滑動動作才會發(fā)生。且該水平剪力始終等于最大靜摩擦力的情況下，滑動動作才能維持。其滯回曲線如圖5所示，表現(xiàn)出典型的非線性特征。另外，在實際安裝時，滑動支座上下滑塊間通常無可靠的豎向連接約束，使得上下滑塊間只能受壓，不能受拉。

為模擬此類支座力學(xué)特性，本文先后考慮了摩擦擺單元和多折線彈簧單元。但摩擦擺單元僅能用于時程分析計算，多折線彈簧單元無法用于反應(yīng)譜計算。

圖5 滑動支座滯回曲線及有效剛度示意

《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》6.3節(jié)6.3.2條規(guī)定，可采用等效剛度來模擬隔震支座對結(jié)構(gòu)剛度特性的貢獻。等效剛度是指如果不考慮加載由彈性到塑性的變化過程，僅考慮屈服后累計位移與力的關(guān)系折算出的剛度。參考此項規(guī)定，滑動支座的力學(xué)特征可以采用僅受壓桿單元加線性彈簧的組合來模擬。其中，僅以受壓桿單元模擬豎向支座的受壓性能，且水平變形不在該桿件內(nèi)產(chǎn)生力。線性彈簧則僅定義水平剛度值，水平剛度值取溫度荷載作用下的有效剛度(最大靜摩擦力取計算組合下恒荷載工況與0.5倍活荷載工況下該支座所受軸力和的0.02倍)。該值是反復(fù)迭代試算取得的，并且每個位置處的線性彈簧剛度值是有差異的。該模擬方法的適用性在本文3.3節(jié)得到驗證。

用溫度荷載作用下的變形來確定彈簧單元水平剛度，由于7軸支座的縱向限位(圖4)和C、D軸支座的橫向限位作用發(fā)揮，能引起滑動支座發(fā)生明顯滑動的只有溫度荷載工況。風(fēng)荷載和地震荷載工況并不能引起各支座上下滑動面間明顯的滑動位移。

經(jīng)與完全固定模型(前述圖4中所有滑動支座均置換為上下剛接的短鋼柱)計算比較，兩種模型的前15階自振周期與振形差異極小。說明本模型基本適用于結(jié)構(gòu)停機時地震荷載效應(yīng)的計算(此時無高溫荷載作用，滑動支座未發(fā)生滑動變形)。

結(jié)構(gòu)計算模型如圖6所示，結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造如圖7所示。

圖6 結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件構(gòu)造

圖7 結(jié)構(gòu)荷載分布示意

3 各主要荷載工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變形計算結(jié)果及分析

本案例除塵器鋼結(jié)構(gòu)承受的荷載包括：(1)恒載D1，包含鋼結(jié)構(gòu)自重，外覆巖棉保溫層、頂層墻檁、屋面板等(荷載施加方式均見圖7)；(2)灰斗灰荷載D2，總計約1 500 t，參考土壓力計算公式，以面荷載的形式垂直施加在灰斗內(nèi)圍護板件單元上；(3)各類活載；(4)溫度荷載T260，按260℃計，為設(shè)備工作運行時二層設(shè)備箱體內(nèi)構(gòu)件承受的溫度荷載，本文作為一種特殊的恒荷載考慮，荷載分項系數(shù)、組合值系數(shù)均取值 1.0；(5)工作負(fù)壓NPRESS，存在于除塵器設(shè)備箱體內(nèi)，三向荷載，本案例按5 kPa計；(6)雙向風(fēng)荷載；(7)雙向地震荷載，經(jīng)參數(shù)換算，對應(yīng)我國設(shè)計規(guī)范中的7度設(shè)防烈度，二類場地，地震分組為第二組。

3.1恒載D1工況下的內(nèi)力與變形

經(jīng)計算，在D1工況下，基底豎向反力分布如圖8所示(紫色線條為斜撐)，合計650 t。由豎向反力的對稱性，一定程度上證明了模型內(nèi)部構(gòu)件分布的對稱性。注意到，5軸和9軸柱底豎向反力明顯大于7軸基礎(chǔ)豎向反力；這是因為7軸位置處柱頂壓力在下傳過程中，由于變形協(xié)調(diào)效應(yīng)的存在，使得部分壓力被單斜撐承受，發(fā)生分力現(xiàn)象。

圖8 恒載D1作用下基底豎向反力(單位：t)

圖9 除塵器單體局部內(nèi)力傳遞示意圖

3.2灰斗荷載D2工況下的內(nèi)力與變形

D2是一種作用在灰斗內(nèi)表面的外壓面荷載。力的主要傳遞路徑如圖9中黑線所示：壓力荷載首先以拉力(拉應(yīng)力)形式傳遞給灰斗內(nèi)板件及斜貼桿件1，繼而傳遞給與其豎向相連的鋼板3及框支立柱2，之后傳遞給二層立柱4，并使其受壓力作用，立柱4把力傳遞到其底部的滑動支座5上，然后傳至底層立柱6上，最終傳至基礎(chǔ)。

2—3軸交A—C軸典型單體在該工況下板件豎向應(yīng)力分布和變形，以及構(gòu)件軸向內(nèi)力分布如圖10所示?？梢?，灰斗內(nèi)板豎向承受較大拉應(yīng)力，且以四角最大；二層箱體板件豎向應(yīng)力以大部分拉應(yīng)力為主，而二層立柱部位則轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，框支柱受拉，則二層立柱受壓；灰斗內(nèi)斜貼桿件，除頂部局部受壓，大部分處于受拉狀態(tài)。由于灰斗底部向外膨脹，導(dǎo)致相鄰的環(huán)向水平梁及其附近水平構(gòu)件發(fā)生壓縮變形，從而使其處于受壓狀態(tài)。

圖10 除塵器單體構(gòu)件內(nèi)力分布云圖

3.3溫度荷載T260工況下的內(nèi)力與變形

溫度荷載工況是一種較為復(fù)雜的三向荷載，由于除塵器鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件空間布置的復(fù)雜性，使得眾多板件和構(gòu)件的內(nèi)力分布和變形分布呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的形態(tài)。

由于頂層剛架和底層鋼支架層處于常溫狀態(tài)，而二層設(shè)備箱體在正常工作時處于高溫狀態(tài)，鋼材的熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致二層箱體發(fā)生明顯的向外膨脹變形。如圖11所示，從橫向看，該膨脹變形帶動頂層剛架底部發(fā)生大幅度橫向位移變形，而底部鋼支架則變形極小，鋼支架頂部與二層設(shè)備箱體底部間存在明顯的相對位移，經(jīng)核查，相對位移幅值達到21 mm以上(A軸和F軸上)，即相應(yīng)位置處滑動支座上滑塊和下滑塊間在Y方向相對滑動達到21 mm以上。而縱向，以7軸柱子為不動點，結(jié)構(gòu)二層設(shè)備箱體向兩邊膨脹變形，其中離7軸最遠(yuǎn)的15軸處結(jié)構(gòu)膨脹變形最大，達到66 mm。二層設(shè)備箱體的膨脹變形同樣帶動了頂層剛架底部的大幅度變形，而對底層鋼支架層則影響較小。經(jīng)核查，15軸處底部鋼支架柱頂在此工況下沿結(jié)構(gòu)縱向的變形最大約0.9 mm，即相應(yīng)位置處滑動支座上滑塊和下滑塊間在X方向相對滑動達到約65 mm。(其他位置處滑動支座的上下滑塊，隨支座離7軸越近，則相對滑動越小)。

圖11 溫度荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形

圖12是該工況下柱底豎向反力分布，可以看到，各個柱底豎向反力均為零，總反力為零，體現(xiàn)出溫度效應(yīng)的內(nèi)平衡性。

圖12 溫度荷載作用時柱底豎向反力(單位：t)

前述溫度荷載工況下結(jié)構(gòu)變形和底部豎向反力分布特征計算結(jié)果，符合對帶滑動支座型鋼除塵器鋼框架結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下力學(xué)特性表現(xiàn)的預(yù)期，也符合一般結(jié)構(gòu)概念，證明了本文滑動支座模擬方法的適用性。

取3-5軸交A-F軸處的兩個單體，核查其板單元應(yīng)力分布云圖如圖13所示，可見，順氣流方向，C軸和D軸上板件在面內(nèi)水平方向(圖13(a))及豎向(圖13(c))處于受壓狀態(tài)，而A軸和F軸上板件在面內(nèi)水平方向處于受拉狀態(tài)。3軸和5軸上板件(橫氣流方向布置)基本處于受壓狀態(tài)。

圖13 板單元應(yīng)力云圖

分別選取5軸鋼框架和4軸框支鋼架各一榀，核查其軸力。如圖14所示，由于C軸和D軸上僅安裝縱向滑動支座，二層設(shè)備箱體位于C-D軸間的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)橫向的膨脹變形受到明顯約束，從而導(dǎo)致煙道內(nèi)設(shè)備箱體中的橫向構(gòu)件處于受壓狀態(tài)，而下方底層鋼支架系梁處于受拉狀態(tài)?？傮w看，由于約束剛度整體較小，導(dǎo)致各個構(gòu)件及板單元中內(nèi)力、應(yīng)力都比較小，這也是符合設(shè)計意圖的。

圖14 鋼框架在溫度荷載T260工況下軸向內(nèi)力圖(單位：kN)

3.4負(fù)壓荷載工況下的內(nèi)力與變形

圖15 鋼框架在負(fù)壓荷載工況下的變形云圖

如圖7(b)所示，同溫度荷載T260，負(fù)壓荷載也是一種三向荷載，在其作用下，結(jié)構(gòu)變形如圖15所示?？梢钥吹浇Y(jié)構(gòu)二層設(shè)備箱體框支柱部位及灰斗內(nèi)貼桿件局部發(fā)生了明顯的內(nèi)凹變形。

核查3軸到5軸間相連單體板單元應(yīng)力云圖16知，除了灰斗頂四角局部區(qū)域外，二層設(shè)備箱體四周板單元均處于受壓狀態(tài)。而由該單元內(nèi)部鋼構(gòu)件軸力云圖17知，內(nèi)部構(gòu)件基本處于受壓狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)剛度分布特征所限，各榀鋼架結(jié)構(gòu)C和D軸柱頂被小幅度拉升，如圖15(b)所示，相應(yīng)軸線位置處底部鋼柱受拉力作用，而外列A和F軸柱則處于受壓狀態(tài)。

圖16 典型單體板單元應(yīng)力云圖

圖17 典型單體鋼結(jié)構(gòu)軸力云圖

4 應(yīng)力比計算結(jié)果

建筑結(jié)構(gòu)的荷載組合，一般分為抗震組合和非抗震組合。而對于除塵器設(shè)備，還要考慮工作組合和停機組合，前者包括負(fù)壓荷載NPRESS和溫度荷載T260，后者不包括。另外還要考慮灰斗內(nèi)滿灰荷載D2有無兩種工況。因此，理論上存在8類組合。

應(yīng)力比是對各種荷載組合下構(gòu)件的效應(yīng)設(shè)計值與構(gòu)件抗力設(shè)計值比值的包絡(luò)值(此處為最大值)的統(tǒng)稱，其值應(yīng)控制在1.0以下。對于二層設(shè)備箱體內(nèi)構(gòu)件，考慮到高溫對強度的折減效應(yīng)，應(yīng)力比控制在0.75以下。限于篇幅，僅列主要構(gòu)件應(yīng)力比，見圖18。

圖18 主要構(gòu)件應(yīng)力比

5 變形核算

5.1波紋板在正常工作狀態(tài)下的變形

對4 mm厚的波紋板在工作負(fù)壓5 kPa及風(fēng)荷載作用(按1 kPa計)下向設(shè)備箱體內(nèi)部方向的局部凹陷變形進行計算，面外變形計算結(jié)果如圖19所示。由結(jié)果可知，最大變形2.35 mm，為跨度2 400 mm的1/1 021，小于限值1/150，滿足使用要求。

5.2風(fēng)荷載作用下變形

由于結(jié)構(gòu)在豎向剛度分布上呈現(xiàn)底層和頂層弱，中間層強的特征，且Y向迎風(fēng)面積明顯大于X向迎風(fēng)面積，因此風(fēng)荷載作用工況下變形主要核查除塵器鋼結(jié)構(gòu)在Y向風(fēng)荷載作用下頂層剛架在Y方向?qū)游灰平恰Ｓ嬎憬Y(jié)果如圖20所示，柱頂Y方向?qū)游灰萍s22 mm，小于4 000/150=26.7 mm，滿足要求[6]。

圖19 面外變形云圖

圖20 風(fēng)荷載工況下變形云圖

6 不足與展望

雖然二層設(shè)備箱體四周敷設(shè)了巖棉保溫層，但是各鋼構(gòu)件，鋼板內(nèi)外側(cè)依然存在一定的溫度差，此溫度差可供參考的具體值尚需要大量的測定。結(jié)構(gòu)不同部位，溫度會有一定幅度差異，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的分布不同于本文單一溫度工況下的溫度應(yīng)力分布。

此外，屋頂剛架構(gòu)造做法參考了門式剛架的做法，但是經(jīng)過計算，由于上下各層剛度中心與質(zhì)量中心的不一，使得三層剛架結(jié)構(gòu)易于出現(xiàn)不規(guī)則振型，設(shè)計時需要調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度分布特征。

[1] 楊建勛,張殿印.袋式除塵器設(shè)計指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[2] 趙振奇,潘永來.除塵器殼體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,2008.

[3] 譚巍.高溫(火災(zāi))條件下鋼結(jié)構(gòu)材料性能研究[J].工業(yè)建筑,2000,30(10): 61- 63

[4] 趙金城.高溫下鋼材力學(xué)性能的試驗研究[J].北京:建筑結(jié)構(gòu),2000,30(4):26-28

[5] 吳鳳林,任黎明.電除塵器本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2000,31(3):263-266.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50017-2003[S].北京：中國計劃出版社,2003.

Steelstructuredesignofdustcollectorwithslidingbearing

ZHOU Hai-tao1,HOU Guang-chao2,ZHAO Yong-cun2,TIAN Yuan2

(1.HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SINOMAEnvironmentalProtectionCo.Ltd.,Pingdingshan467036,China)

Special loads,special equipment requirements and complicated geometry shape are problems of dust collector design should solve.Combined with the design process of concrete with sliding bearing type dust remover steel frame project,this paper studies the simulation method of sliding bearing,expounds the deformation and internal force distribution characteristics of the structure under each special working condition,analyzes its force mechanism,and shows the stress ratio and the necessary deformation calculation results.

dust collector with sliding bearing; temperature load; negative pressure; full dust load; mechanical effect

2017-03-28

河南省科技攻關(guān)計劃項目(172102210181)

周海濤(1979—)，男，寧夏中衛(wèi)人，博士，講師。

1674-7046(2017)03-0044-10

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.009

TU272

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