超高鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)站的設(shè)計(jì)與計(jì)算

王 猛 王心楊 孫洪哲

（1.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

轉(zhuǎn)運(yùn)站是礦山、冶金行業(yè)中常見的構(gòu)筑物，是設(shè)在兩臺(tái)高架固定式帶式輸送機(jī)之間的中轉(zhuǎn)站。普通的建筑鋼結(jié)構(gòu)建筑一般只受到自重、活載、風(fēng)載等荷載的影響，高度越高的建筑受風(fēng)載的影響也就越大。通過查閱大量資料，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)站大多為高度在30米之內(nèi)，可這個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站高度已接近50米，是目前世界最高的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)站。對(duì)這種高式轉(zhuǎn)運(yùn)站的研究與探討從未出現(xiàn)。本課題來源于阿曼工業(yè)區(qū)的球團(tuán)廠工程項(xiàng)目。CT-3113-02轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)全部由型鋼和鋼板焊接或栓接而成。轉(zhuǎn)運(yùn)站13.5米，寬8.2米，高47.3米，總共分成10層。其中在海拔標(biāo)高38.6米平面（8層）布置有TR.3123.03、TR.3113.03膠帶機(jī)，在海拔標(biāo)高47.3米平面（9層）布置有TR.3123.02、TR.3113.02膠帶機(jī)。本計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力強(qiáng)度、剛度分析，受壓桿件進(jìn)行了穩(wěn)定性校核，計(jì)算采用的是有限元法。

1 計(jì)算依據(jù)

阿曼二期帶式輸送機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)文件。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2003）。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）。

2 計(jì)算條件

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算用載荷種類

2.1.1 D=恒載荷，包括下列各項(xiàng)。

（1）結(jié)構(gòu)自重：轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)重量。（2）部件重量：轉(zhuǎn)運(yùn)站上所安裝的膠帶機(jī)的部件重量。（3）輔屬設(shè)備重量。（4）外裝、鋪板、走臺(tái)、欄桿的重量。（5）廊道作用載荷。

2.1.2 L=活載荷。

2.1.3 W=風(fēng)載荷。

2.1.4 F=膠帶張力。

2.1.5 Q=物料。

2.1.6 QD=堵料。

2.2 活載荷

主要屋面部分：2.0KN/m2。其余屋面部分：1.0KN/m2。屋面活荷載：5.0KN/m2。

2.3 計(jì)算風(fēng)壓：815N/m2。

2.4 載荷組合

按四種載荷組合：載荷組合Ⅰ（滿載運(yùn)行）：1.2（D+Q）+1.6F+0.5（W+L）。載荷組合Ⅱ（緊急停車）：1.35（D+QD）+1.2F+0.7L。載荷組合Ⅲ（停機(jī)暴風(fēng)）：1.2D＋1.6W+0.5F。載荷組合Ⅳ（停機(jī)檢修）：1.2（D＋Q）＋1.6L。

2.5 材料特性

轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)柱、平面梁和斜支撐采用鋼材型號(hào)均為Q345B，次要桿件、層面鋪板及肋、圍墻板及檁條等采用Q235B（對(duì)應(yīng) AETM/A283M），彈性模量E均為210Gpa，泊松系數(shù)為0.3，密度均為 7.85×103kg/m3。Q235B，屈服應(yīng)力 σs 為 235Mpa，σb 為 破 壞 應(yīng) 力410Mpa；Q345B，σs 為 345Mpa，σb 為520Mpa。

2.6 設(shè)計(jì)指標(biāo)

Q235鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f=206N/mm2Q345鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f=295N/mm2。

構(gòu)件變形許用值：屋頂梁 L/400。樓面梁：L/600。柱：L/1000。

2.7 計(jì)算采用有限元法，計(jì)算應(yīng)用的程序是ANSYS10.0。

3 有限元分析的力學(xué)模型

轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結(jié)構(gòu)，受有三維方向的力和彎矩作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，有限元分析時(shí)簡化成空間強(qiáng)支撐框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件均等效為三維彈性梁單元（BEAM189），或三維彈性桿單元，兩種單元的特性分述如下：

3.1 三維彈性梁單元（BEAM189）

三維彈性梁單元為單軸單元，有拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)的功能。在各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)上都具有六個(gè)自由度，分別為沿X，Y，Z 軸向方向移動(dòng)以及繞 x，y，z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)算的結(jié)果包括節(jié)點(diǎn)位移，彈性梁單元的應(yīng)力以及內(nèi)力。

3.2 三維彈性桿單元（LINK180）

三維彈性桿單元具有兩節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)定位節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度，即沿著X，Y，Z軸方向移動(dòng)。運(yùn)算的結(jié)果包括節(jié)點(diǎn)位移，彈性桿單元的應(yīng)力以及內(nèi)力。

模型中節(jié)點(diǎn)的確定遵循如下原則：

（1）轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼架點(diǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)為建立模型的節(jié)點(diǎn)。（2）轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼架與鋼板的連接點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)為所建模型的節(jié)點(diǎn)。

建立模型時(shí)，必須對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移及節(jié)點(diǎn)載荷方向等相關(guān)參數(shù)等作出明確的描述。取模型的整體坐標(biāo)系為右手系OXYZ，其中Y軸垂直向上。原點(diǎn)位于桁架中心面的左下角，該模型由322個(gè)節(jié)點(diǎn)及605個(gè)單元組成。

3.3 約束

轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)通過立柱下面的支座用螺栓與結(jié)構(gòu)預(yù)埋件聯(lián)接，固定在地基基礎(chǔ)上。有限元分析時(shí)將與地基聯(lián)接點(diǎn)均約束，共有6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的六個(gè)自由度全部約束，即：X、Y、Z三個(gè)方向的線位移和X、Y、Z三個(gè)方向的角位移。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

通過普查應(yīng)力場，在五種載荷組合下，轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力載荷組合Ⅰ最大。桿件最大強(qiáng)度應(yīng)力為140Mpa。穩(wěn)定性校核應(yīng)力163Mpa。全部桿件應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)值。

4.2 結(jié)構(gòu)變形

通過普查結(jié)構(gòu)變形圖，結(jié)構(gòu)X方向最大變形78mm，結(jié)構(gòu)Y方向最大變形18mm，結(jié)構(gòu)在Z方向最大變形為16mm，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形均小于容許值。

[1]徐丹.55米跨距桁架的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].商情，2011.

[2]張宏敏.ANSYS在膠帶機(jī)高支柱的設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用[J].商情，2011.

[3]程相文，錢淑麗，林福嚴(yán).礦石碼頭轉(zhuǎn)接機(jī)房靜動(dòng)態(tài)分析 [J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2006（4），47～49.