散糧皮帶通廊結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

散糧皮帶通廊結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

皮帶通廊是散貨碼頭的主要設(shè)備之一，由于該類設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)體積較大，維護(hù)節(jié)點(diǎn)多，特別是長(zhǎng)期處在海邊惡劣的工況條件下，其鋼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生銹蝕損傷，嚴(yán)重降低了通廊結(jié)構(gòu)及整套設(shè)施的安全可靠性。以天津港第二港埠有限公司散糧皮帶通廊設(shè)備作為研究對(duì)象，根據(jù)該類設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工況特點(diǎn)，并依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及實(shí)際銹蝕損傷情況，建立有限元分析模型，深入研究了皮帶通廊結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能，為皮帶通廊的維護(hù)方案提供了理論依據(jù)。

皮帶通廊 載荷分析 有限元

0 引 言

天津港第二港埠有限公司的皮帶通廊系統(tǒng)由英國(guó)西蒙公司設(shè)計(jì)制造，并于1988年投入使用，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首個(gè)超長(zhǎng)距離鋼結(jié)構(gòu)氣動(dòng)皮帶通廊，其主要作業(yè)對(duì)象為小麥和大豆，設(shè)計(jì)裝卸效率為1,000,t/h，至今已運(yùn)行27年。由于地處沿海，氣候終年潮濕，且空氣鹽分含量極大，加之堆積在通廊鋼結(jié)構(gòu)上的物料得不到及時(shí)清理，易造成通廊鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕損傷，這種嚴(yán)重的銹蝕損傷在一定程度上降低了通廊結(jié)構(gòu)的安全性能，如圖1所示。因此，為保證設(shè)備正常運(yùn)行，有必要對(duì)皮帶通廊的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行定期檢測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)受力集中區(qū)域和薄弱部位的檢查。

圖1 皮帶通廊結(jié)構(gòu)銹蝕損傷Fig.1 Corrosion damages of belt corridor structure

1 通廊結(jié)構(gòu)特性及載荷分析

1.1 通廊結(jié)構(gòu)材料特性

皮帶通廊鋼結(jié)構(gòu)主要采用Q235鋼材制造，其彈性模量：E=2.06×1011MPa (N/m2)，泊松比：μ= 0.3，能很好滿足工作中產(chǎn)生的較小位移和應(yīng)變要求。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)梁的厚度，取安全系數(shù)n=1.5，則許用應(yīng)力為：

1.2 通廊結(jié)構(gòu)載荷分析

該通廊結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)共800,m，由26個(gè)平跨及23個(gè)拱跨鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于篇幅所限，本文僅選取其中一段56,m損傷較嚴(yán)重的平跨結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。在正常作業(yè)條件下，該段平跨結(jié)構(gòu)主要承受的載荷有自重載荷、物料載荷及風(fēng)載荷，具體分析如下：

1.2.1 自重載荷

56,m平跨結(jié)構(gòu)自重為82,228,kg，取重力加速度為9.8 m/s2，則56,m平跨結(jié)構(gòu)自重載荷為：

1.2.2 物料載荷

根據(jù)皮帶實(shí)際運(yùn)行速度計(jì)算，皮帶物料載荷取100,kg/m，則56,m平跨結(jié)物料總載荷為：

1.2.3 風(fēng)載荷

由于皮帶通廊結(jié)構(gòu)位于碼頭前沿，故其結(jié)構(gòu)將不可避免地承受風(fēng)載荷的作用。為考慮最不利情況，方向取為與全局坐標(biāo)系Z軸平行，以及與皮帶通廊縱向相垂直的水平方向。同時(shí)，要分別考慮工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的載荷情況(其中工作狀態(tài)風(fēng)載荷取相應(yīng)風(fēng)速為25,m/s，非工作狀態(tài)風(fēng)載荷取相應(yīng)風(fēng)速為55,m/s)。由此，風(fēng)載荷的計(jì)算公式為：

式中，C為風(fēng)力系數(shù)，Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，β為陣風(fēng)系數(shù)為風(fēng)壓，其中v為風(fēng)速，A為結(jié)構(gòu)件垂直于風(fēng)向的實(shí)體迎風(fēng)面積。

2 Ansys有限元分析

2.1 有限元模型

本文研究的56,m平跨結(jié)構(gòu)(見圖2)，其連接構(gòu)件可用其軸線來(lái)代替，構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化為鉸接點(diǎn)和固定接點(diǎn)，模型使用ANSYS單元庫(kù)所提供的BEAM189單元進(jìn)行建模。其中，節(jié)點(diǎn)共計(jì)3,035個(gè)，單元共計(jì)1 404個(gè)，如圖3所示。其中子跨結(jié)構(gòu)每端部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z方向固定，在ROTx，ROTy，ROTz方向上自由。

圖2 56,m平跨結(jié)構(gòu)工程圖Fig.2 Engineering drawing of a 56,m span structure

圖3 56,m平跨結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 Finite element model of a 56,m span structure

在對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算之前，首先要確定載荷工況，其目的是使計(jì)算結(jié)果能夠與皮帶通廊結(jié)構(gòu)處于最不利工況時(shí)結(jié)構(gòu)件的受力相一致。根據(jù)皮帶通廊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及風(fēng)速大小，取以下兩種載荷工況作為對(duì)皮帶通廊結(jié)構(gòu)件受力分析依據(jù)。

工況一(最大工作風(fēng)載工況)：

結(jié)構(gòu)自重載荷＋物料載荷＋25,m/s風(fēng)載，風(fēng)向與全局坐標(biāo)系Z軸平行。

工況二(最大非工作風(fēng)載工況)：

結(jié)構(gòu)自重載荷＋55,m/s風(fēng)載，風(fēng)向與全局坐標(biāo)系Z軸平行。下面對(duì)上述兩種工況分別進(jìn)行分析。

2.2 靜態(tài)性能分析

2.2.1 工況一

工況一狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)加載如圖4所示，其中結(jié)構(gòu)自重載荷以整體慣性載荷形式施加，取重力加速度g=9.8m/s2，方向沿Y軸正向，對(duì)前后兩片桁架沿Z軸負(fù)向施加。該工況下，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖如圖5所示，4根水平弦桿應(yīng)力云圖如圖6所示，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖可見，56,m平跨結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力為σp1max=71MPa ＜[σ]，滿足靜強(qiáng)度要求。

圖4 工況一結(jié)構(gòu)加載圖Fig.4 Structure loading under working condition 1

圖5 工況一結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖Fig.5 Overall stress map of the structure under working condition 1

圖6 水平弦桿應(yīng)力云圖Fig.6 Stress map of horizontal chord member

圖7 內(nèi)部框架應(yīng)力云圖Fig.7 Stress map of interior frame

2.2.2 工況二

工況二狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)加載方式同工況一，但風(fēng)載荷對(duì)應(yīng)風(fēng)速為55,m/s，結(jié)構(gòu)加載圖如圖8所示。該工況下，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖如圖9所示，4根水平弦桿應(yīng)力云圖如圖10所示，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖11所示，其結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力為σp2max=151.2MPa ，雖滿足靜強(qiáng)度要求，但已十分接近結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力。

圖8 工況二結(jié)構(gòu)加載圖Fig.8 Structure loading under working condition 2

圖9 工況二結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖Fig.9 Overall stress map of the structure under working condition 2

圖10 水平弦桿應(yīng)力云圖Fig.10 Stress map of horizontal chord member

圖11 內(nèi)部框架應(yīng)力云圖Fig.11 Stress map of interior frame

3 結(jié) 論

由于銹蝕損傷的存在，皮帶通廊結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力水平相應(yīng)提高，惡化了皮帶通廊結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。其中，工況一狀態(tài)下，皮帶通廊結(jié)構(gòu)能夠滿足靜強(qiáng)度性能要求。但在工況二狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力已非常接近結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，在極端情況下可能造成通廊結(jié)構(gòu)的破壞性損傷。因此，要根據(jù)有限元分析結(jié)果，加強(qiáng)對(duì)該段通廊結(jié)構(gòu)的維護(hù)和動(dòng)態(tài)檢查力度，必要時(shí)要采取加固措施，確保皮帶通廊的運(yùn)行安全?！?/p>

［1］ 皮帶運(yùn)輸機(jī)通廊建筑構(gòu)造(09J904)[Z]. 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，2009.

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Static Performance Analysis on Bulk Grain Belt Corridor Structure

WANG Jingqi
(Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd，Tianjin 300456，China)

Belt corridor is a major bulk terminal equipment．Due to its long design life，bulky structure，maintenance complexity，especially harsh seaside working conditions，the corridor’s steel structure is susceptible to corrosion damage，which severely reduces the safety and reliability of the gallery structure．Taking bulk grain belt corridor device in Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd as the research subject，a finite element analysis model was established according to characteristics of the structure and condition of such equipment and in accordance with design drawings and actual corrosion damages．An in-depth study of the static performance of belt corridor structure was carried out，which provides a theoretical basis for the maintenance management scheme.

belt corridor；load analysis；finite element

TS21

A

1006-8945(2016)03-0051-03

2016-02-22