基于STAAD/Pro對工程項目中重要結(jié)構(gòu)件的力學(xué)分析

馬愛霞 李曄 馬倩

摘要：本文根據(jù)作者工程實踐并以神華新疆某項目重要結(jié)構(gòu)件變形問題和解決過程為例，通過STAAD/Pro分析結(jié)構(gòu)受力，給出了一種比較準確的優(yōu)化加固方法。

Abstract： Based on the author's engineering practice and taking the deformation problem and solution process of an important structural member of a project in Shenhua Xinjiang as an example， this paper analyzes the structural force through STAAD/Pro， and gives a more accurate optimization and reinforcement method.

關(guān)鍵詞：STAAD/Pro;機架鋼結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)分析

Key words： STAAD/Pro;frame steel structure;structural analysis

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0100-02

0? 引言

隨著國家對環(huán)保要求的重視提高，大型筒倉組的出現(xiàn)，在國內(nèi)采用筒倉儲存散裝物料成為流行趨勢，與其相配套的多個倉頂卸料車被廣泛采用。作為卸料車的重要結(jié)構(gòu)件機架，為了達到安全、經(jīng)濟、合理、高效的設(shè)計目標，采用支持國際規(guī)范的并且被國際工程界認可的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計必不可少。而卸料車的機架結(jié)構(gòu)立柱橫梁數(shù)量較多，往往是超靜定的空間結(jié)構(gòu)，手工計算比較繁瑣，為了準確快速的進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，借助有限元分析軟件獲取準確的構(gòu)件型材是非常方便有效的途徑之一。

STAAD/Pro軟件是美國BENTLEY公司擁有知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件，支持平面、空間結(jié)構(gòu)建模，在處理空間桿件和板殼模型上方便快捷，特別是針對立柱橫梁數(shù)量較多的機架結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，計算時無規(guī)范和公式可依，軟件能夠得出結(jié)構(gòu)突變處的應(yīng)力集中情況，進而優(yōu)化構(gòu)件傳力和筋板布置，消除設(shè)計隱患。

1? 機架總計算原則

依照相關(guān)規(guī)范，采用許用應(yīng)力法計算。規(guī)范規(guī)定，機架結(jié)構(gòu)應(yīng)進行強度、剛度和穩(wěn)定的計算，并滿足規(guī)定的要求。計算時一般不考慮材料塑性影響，也不進行疲勞強度計算。結(jié)構(gòu)按工作時的最大荷載情況進行強度、剛度和穩(wěn)定性的計算。由于機架結(jié)構(gòu)屬于空間框架，構(gòu)件連接形式多樣使受力和傳力相對復(fù)雜，若采用手工計算簡化模型可能會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，另外須綜合考慮的組合工況數(shù)量較多，為了求得更為準確的結(jié)果，采用計算機有限元程序獲取構(gòu)件的內(nèi)力，再對關(guān)鍵部位進行校核。

2? 項目總基本數(shù)據(jù)資料

2.1 氣象特征與環(huán)境條件

歷年最高氣溫43.7℃（7月，2004），歷年最低氣溫

-39.2℃;最大相對濕度100%，最小相對濕度5%;年最大降水量365.3mm，年最小降水量138.5mm;最大積雪深度43cm，基本雪壓（50年一遇）0.9kN/m2;土壤最大凍深160cm（2月，1969）;最大風(fēng)速（地面上層10m高處，10分鐘的平均風(fēng)速）15.3m/s。

2.2 地震烈度

本地區(qū)根據(jù)《建設(shè)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），該地區(qū)地震烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.212g，設(shè)計特征周期為0.40s，設(shè)計地震分組為第二組，場地土類別為Ⅲ類。

3? 機架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.1 機架基本資料

機架能承受下述荷載，且強度、剛度和穩(wěn)定性足夠：結(jié)構(gòu)自重（包括設(shè)備及管道的荷載;機架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計除考慮本身荷載外，還考慮頭部落料管及扶梯等的荷載）、物料重量、平臺上活荷載（按不低于400kg/m2考慮）、風(fēng)荷載、地震的影響等。除承受上述載荷外，機架能承受頭部落料管下料引起的沖擊荷載等因素而增加的荷載（如圖1），優(yōu)化加固后機架受力計算三維模型（如圖2）。

3.2 基本參數(shù)

皮帶寬度：1800mm;帶速：4.0m/s;輸送能力：4400t/h;卸料皮帶傾角：14°;機架上皮帶長：15.128m。

3.3 主要計算參數(shù)及載荷施加方式

皮帶自重：15.128*49.4=747.3（kg）;尾架上托輥組重量：114.8+114.8+150+688.8+114.2=1182.6（kg）;尾架上物料重量：4400*15.128/3600*4.0=4.62（t）=4620kg;？準800改向滾筒自重：3447kg;電纜卷筒自重：1.5t=1500kg;落料管總成重量：9363kg;70.1m平臺上所放設(shè)備重量：1.8+0.5+8+0.35≈10.65（t）=10650kg。

①尾架上皮帶自重、托輥組重、物料重、改向滾筒重、電纜卷筒自重等之和折算后重約：8200（kg）/2=4100（kg）=41000N 按集中力施加于與機架相連的2個鉸點處;落料管總成重量：9363/6=1560.5（kg）=15605N按集中力施加于與機架相連的6個支點處;機架70.1m平臺上所放設(shè)備重量：10.65/（4*2+2.19）=1.045（kg/mm）=10.45N/mm按均布載荷施加;機架本身自重已有軟件自動施加。②風(fēng)載荷：由于設(shè)備處于室內(nèi)，在此不考慮風(fēng)載荷。③地震載荷：軟件根據(jù)加載抗震烈度、建筑場地類別等數(shù)據(jù)自動生成。④機架上各處荷載加載示意圖（圖3）。

3.4 計算結(jié)果

①選用型材截面特性如表1。

②機架受力具體分布情況（如圖4、圖5）。

根據(jù)軟件計算結(jié)果，構(gòu)件應(yīng)變圖中劃線處應(yīng)變最大，通過計算可知優(yōu)化加固前機架中此處最大應(yīng)變值345.856mm，遠遠大于常規(guī)規(guī)定使用的許用應(yīng)變值，不滿足使用要求。優(yōu)化加固后機架中此處最大應(yīng)變值1.273mm，遠小于常規(guī)規(guī)定使用的許用應(yīng)變值，滿足使用要求。

根據(jù)軟件計算結(jié)果，構(gòu)件應(yīng)力圖中劃線處應(yīng)力最大，具體應(yīng)力云圖如圖6、圖7、圖8、圖9。

通過計算可知優(yōu)化加固前機架中此處最大應(yīng)力值155.4N/mm2，該機架所有型材材質(zhì)均為Q235，許用應(yīng)力值[б]=235/1.5=156.7MPa，微小于該材質(zhì)的許用應(yīng)力值，基本滿足使用要求，但此種情況我們一般不建議采用。優(yōu)化加固后機架中最大應(yīng)力值70.48N/mm2，該機架所有型材材質(zhì)均為Q235，許用應(yīng)力值[б]=235/1.5=156.7MPa，遠小于該材質(zhì)的許用應(yīng)力值，非常滿足使用要求。

4? 結(jié)束語

通過手工計算結(jié)合有限元分析軟件，可以很好的對實際工程運用中主要鋼結(jié)構(gòu)受力情況有一個整體性把握，提高設(shè)計可靠性。同時，經(jīng)筆者多次運用該軟件完成結(jié)構(gòu)校核的結(jié)果來看，目前該有限元軟件計算已經(jīng)非常成熟可靠，只要使用區(qū)域正確、力學(xué)概念清楚、模型正確，那么計算結(jié)果的精準性都能保證。并且由于軟件本身具有施加風(fēng)、地震以及荷載組合和規(guī)范檢驗的便利性，可以有效的提高工作效率，該軟件已經(jīng)逐漸成為我們工作中的得力工具之一。

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