煤炭采制樣系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

楊 陽(yáng)

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測(cè)分院，北京 100013;2.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭采制樣系統(tǒng)在港口及煤礦企業(yè)使用越來(lái)越多，在進(jìn)行采制樣設(shè)備安裝過(guò)程中，需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)及土建等工程將設(shè)備安裝與鋼結(jié)構(gòu)框架固定。采制樣設(shè)備由于質(zhì)量較大而導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊，影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)框架的強(qiáng)度、剛度要求比較嚴(yán)格；同時(shí)為了保證鋼結(jié)構(gòu)能達(dá)到要求，采用了很大的安全系數(shù)，鋼材使用量巨大，因此合理的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、減少鋼材的使用量對(duì)降低工程項(xiàng)目成本顯得尤為重要[1,2]。

項(xiàng)目通過(guò)軟件建立三維模型、CAD及輔助軟件建立平面模型，借助仿真軟件完成力學(xué)分析，結(jié)合PKPM軟件計(jì)算完成鋼結(jié)構(gòu)組件之間的應(yīng)力計(jì)算及結(jié)構(gòu)件之間連接情況等，將建筑模型變成結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)模型，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算并在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題與判斷薄弱部分，通過(guò)修改模型參數(shù)可優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、降低原材料成本、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間等，以上優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的材料力學(xué)計(jì)算無(wú)法比擬的[3,4]。

1 分析流程

鋼結(jié)構(gòu)平面模型的建立是結(jié)構(gòu)分析和繪制施工圖的基礎(chǔ)與前提，模型建立是否與工程相符，構(gòu)建布局是否合理，對(duì)后續(xù)計(jì)算分析，力的合理傳導(dǎo)影響很大，需要予以重視。SATWE計(jì)算分析是繼第一步PMCAD建模后的PKPM軟件的核心應(yīng)用，SATWE計(jì)算和控制參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整是影響整個(gè)結(jié)果的關(guān)鍵，如柱軸壓比、剛度比、位移比等計(jì)算結(jié)果需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)精確判斷，以獲得準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。柱軸壓比是反映柱的受壓情況的一個(gè)重要指標(biāo)，限定柱的軸壓比主要為了保證柱的塑形變形能力和保證框架的抗倒塌能力。選用合適的鋼柱截面對(duì)于荷載組合方式與軸壓比影響很大。通過(guò)對(duì)圖形文件結(jié)果中內(nèi)力包絡(luò)圖以及梁彈性撓度簡(jiǎn)圖的分析，對(duì)梁應(yīng)力比以及變形穩(wěn)定性進(jìn)行判定，對(duì)不滿足規(guī)范要求的控制參數(shù)進(jìn)行分析和必要的調(diào)整[5,6]。制定計(jì)算分析方案，分析流程如圖1所示。

圖1 PKPM軟件分析流程圖

2 建立模型

在進(jìn)行計(jì)算之前把建筑模型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)CAD模型，通過(guò)簡(jiǎn)化模型，使模型更加接近實(shí)際工況，提高計(jì)算效率。首先簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)模型，簡(jiǎn)化程度盡量達(dá)到與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況相符。由平面和豎向組合而成的建筑結(jié)構(gòu)模型。平面結(jié)構(gòu)通常采用梁板形式的，豎向結(jié)構(gòu)受力分析可分為豎向和外力作用下的水平作用分析，如受風(fēng)載影響下的受力分析[7-9]。此外，平面分析過(guò)程中還要考慮構(gòu)件的連續(xù)性。模型建立過(guò)程如圖2所示。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)用三維軟件建立初步的三維模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及設(shè)備位置布局，按照相關(guān)承載位置布置鋼結(jié)構(gòu)柱、梁。增加標(biāo)準(zhǔn)層，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，樓層組裝，組裝圖如圖3所示。

圖3 三維模型組裝圖

在進(jìn)行PKPM軟件計(jì)算過(guò)程中，選擇連接關(guān)系以及構(gòu)件的截面尺寸，得到合適的柱軸壓比、剛度比、位移比等結(jié)果，使設(shè)計(jì)最為優(yōu)化。在計(jì)算過(guò)程中，選擇合適的載荷系數(shù)(如設(shè)備自重載荷、風(fēng)載荷等)、震動(dòng)系數(shù)(如設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)、地震等)，通過(guò)軟件將對(duì)應(yīng)的震動(dòng)及荷載加到鋼結(jié)構(gòu)上并進(jìn)行震動(dòng)效應(yīng)組合，在綜合工況下要求鋼結(jié)構(gòu)框架滿足承載力極限和正常使用極限的要求。同時(shí)軟件會(huì)根據(jù)震動(dòng)的作用及荷載組合的原則計(jì)算各構(gòu)件的效應(yīng)，對(duì)支撐、梁等構(gòu)件型材型號(hào)的選擇產(chǎn)生影響。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析及計(jì)算驗(yàn)證，檢查構(gòu)件尺寸是否合理，查看位移調(diào)整梁柱的截面并進(jìn)行優(yōu)化，檢查偶然偏心下的位移比、柱子軸壓比，若SETWE軸壓比計(jì)算結(jié)果顯示紅色則表示超限并需要調(diào)整，但有時(shí)數(shù)值并未超限卻仍顯示紅色，如此就需要根據(jù)實(shí)際情況判斷是按照何種荷載組合的計(jì)算結(jié)果，以此來(lái)判斷是否需調(diào)整各項(xiàng)數(shù)據(jù)以改變軸壓比；對(duì)周期、振型、地震力的查看也非常重要，之后再進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證[10-12]。

根據(jù)工藝要求，將設(shè)備布置于鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)以確定承載梁的位置，如圖4所示。

圖4 設(shè)備荷載沖擊源示意圖

3 SATWE參數(shù)定義及計(jì)算

(1)SATWE參數(shù)定義。運(yùn)用PKPM軟件導(dǎo)入模型，需要對(duì)結(jié)構(gòu)體系、荷載輸入、恒活荷載、設(shè)備荷載、地震作用、風(fēng)荷載等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)荷載信息時(shí)應(yīng)注意:X向與Y向的結(jié)構(gòu)基本周期要經(jīng)過(guò)初步計(jì)算之后進(jìn)行回代計(jì)算。地震信息需根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告來(lái)確定，比較重要的除了抗震等級(jí)、設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別等要素以外，還應(yīng)該有周期折減系數(shù)[13-15]。SATWE計(jì)算、參數(shù)定義如圖5所示。

圖5 SATWE計(jì)算、參數(shù)定義圖

(2)SATWE計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)定義完成后進(jìn)行特殊構(gòu)件設(shè)計(jì)，支撐方式、梁柱連接設(shè)置為固支，梁梁連接設(shè)置為鉸支，參數(shù)設(shè)計(jì)完成后生成數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算并查看近似計(jì)算結(jié)果。

圖6 初采器受煤流碰撞后的最大瞬時(shí)扭矩

圖7 初采器受煤流碰撞后的最大瞬時(shí)最大側(cè)向力圖

初采器碰撞煤流后，瞬時(shí)最大扭矩如圖6所示，其中最大瞬時(shí)扭矩為45 Nm。瞬時(shí)最大側(cè)向力如圖7所示，其中最大的瞬時(shí)最大側(cè)向力為4 154.2 N。

4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證分析

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析并檢查跨度較小截面的梁是否偏大，查看是否有位移比超限的情況，若有此情況則進(jìn)行模型修改；查看位移，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整梁柱的截面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，若不滿足則可加大梁柱截面。查看位移比并考慮偶然偏心下的位移比，在設(shè)計(jì)總信息中設(shè)置考慮雙向地震作用可緩解該問(wèn)題，若位移比過(guò)大則需對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整；柱子軸壓比、SETWE軸壓比計(jì)算結(jié)果顯示紅色,表示超限需要調(diào)整。

計(jì)算過(guò)程應(yīng)用計(jì)算驗(yàn)證PKPM分析結(jié)果。

(1)在主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件，其抗彎強(qiáng)度計(jì)算如下:

式中，Mx、My為同一截面處繞x軸和y軸的彎矩，Wnx、Wny為對(duì)x軸和y軸的凈截面模量,γx和γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)，f為鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(2)在主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件，其抗剪強(qiáng)度計(jì)算如下:

式中，V為計(jì)算截面沿板平面作用的剪切力;S為計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩;I為毛截面慣性矩；tw為板厚度；fv為鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(3)彎矩作用在對(duì)稱平面內(nèi)的壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性計(jì)算如下:

式中，N為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸心壓力，φx為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，Mx為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩，Wlx為在彎矩作用平面內(nèi)對(duì)較大受壓纖維的毛截面模量，βmx為等效彎矩系數(shù)，A為截面面積，E為彈性模量，λ為長(zhǎng)細(xì)比，f為鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

通過(guò)驗(yàn)證計(jì)算，如果結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定性等結(jié)果均不大于設(shè)計(jì)值，則鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)在合理的范圍之內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)三維軟件建立模型及輔助軟件建立平面模型，借助仿真軟件完成設(shè)備力學(xué)分析，結(jié)合PKPM軟件完成煤炭采制樣系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)組件之間的應(yīng)力計(jì)算及結(jié)構(gòu)件之間連接情況等，將設(shè)備的運(yùn)行情況及設(shè)備的力學(xué)分析與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相融合。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可知，修改模型參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、采用合適安全系數(shù)、降低原材料成本對(duì)煤炭采制樣系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要意義。