基于ANSYS的某煤礦皮帶走廊變形淺析

劉 陳

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

20世紀(jì)70年代，我國的煤電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，因而建造了大批的鋼桁架皮帶運(yùn)輸走廊。鋼桁架皮帶走廊由于自重較輕，施工方便，整體性好等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)時的煤礦皮帶走廊中得到大量的應(yīng)用[1]。但是由于礦區(qū)環(huán)境十分的惡劣和使用期間的維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致鋼桁架的桿件和節(jié)點(diǎn)腐蝕嚴(yán)重，構(gòu)件的承載力下降，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

本文主要通過ANSYS數(shù)值模擬軟件，對朱仙莊煤礦鋼桁架皮帶走廊在外荷載作用下的變形進(jìn)行分析，通過分析結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力得出危險的截面和節(jié)點(diǎn)，根據(jù)分析的結(jié)果提出一些切實(shí)可行的加固維護(hù)建議。

1 工程概況

本工程皮帶走廊位于安徽省朱仙莊礦區(qū)的中心地帶，為鋼桁架棧橋結(jié)構(gòu)。鋼桁架棧橋內(nèi)部設(shè)有皮帶運(yùn)輸機(jī)，皮帶長60 m，傾角15°。皮帶走廊為跨度30 m的鋼結(jié)構(gòu)桁架，斷面尺寸為3.2×2.5(m)。采用平行弦桁架人字式腹桿體系。桁架的桿件都為角鋼對焊。角鋼的規(guī)格有L130×80×10、L85×8和L65×6等。鋼桁架的上弦桿和下弦桿采用的角鋼都為L130×80×10，腹桿有兩種規(guī)格，一種為L85×8；另外一種為L65×6。鋼桁架皮帶走廊由一個四肢鋼筋混凝土框架柱和一個圓柱形煤倉支撐。底板一側(cè)為皮帶走廊，另外一側(cè)為混凝土臺階。頂部和側(cè)板內(nèi)側(cè)為鋼筋混凝土掛板，外側(cè)為彩鋼維護(hù)。鋼桁架由于常年受天氣和礦區(qū)條件的影響，鋼桁架的上弦和下弦包括腹桿都出現(xiàn)了較為明顯的腐蝕情況。在常年處于這種不利條件下，鋼桁架的結(jié)構(gòu)安全性出現(xiàn)下降，給礦區(qū)的生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重影響。為此，本文采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對該鋼桁架進(jìn)行簡化模擬，通過簡化模擬的結(jié)果分析桁架變形情況，并給出加固建議。

2 鋼桁架有限元模擬

本文采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對該鋼桁架皮帶走廊進(jìn)行簡化模擬。鋼桁架可以定義為慣性矩很大的梁[2]，計算簡圖如圖1所示。鋼桁架中的結(jié)點(diǎn)均為鉸結(jié)點(diǎn)，為了約束鋼桁架兩端節(jié)點(diǎn)的自由度，假設(shè)梁左端為固定鉸支座，右端為滑動鉸支座。桁架中的鋼架采用beam4單元進(jìn)行模擬，底板用shell63單元進(jìn)行模擬。桁架的上弦和下弦用數(shù)值①表示，采用的是L130×80×10型角鋼，桁架最右端腹桿用數(shù)值③表示，采用的是L85×8型角鋼，其余腹桿和上弦橫向連接梁用數(shù)值②表示，采用的是L65×6型角鋼。模型外荷載施加時忽略風(fēng)荷載所產(chǎn)生的影響，只考慮豎向荷載對鋼桁架產(chǎn)生的影響。取最不利的荷載組合，將橫載和活載分別施加到上下弦節(jié)點(diǎn)上。具體的ANSYS的建模模型如圖2所示。

圖1 鋼桁架計算簡圖

圖2 鋼桁架有限元模擬圖

3 有限元模擬結(jié)果分析

通過對鋼桁架模擬分析，分別得到了鋼桁架在外荷載作用下的變形圖，各節(jié)點(diǎn)位移圖和結(jié)構(gòu)中各桿件的內(nèi)力圖。

結(jié)構(gòu)的變形圖如圖3所示，從圖3可以看到鋼桁架發(fā)生了向下的彎曲變形，這是由于長期受豎向荷載作用所導(dǎo)致的變形。

圖3 鋼桁架結(jié)構(gòu)變形圖

結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)總的位移如圖4所示，從圖4可以看到鋼桁架在外力作用下了發(fā)生了比較大的位移，跨中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了最大的位移，位移值達(dá)到了106.104 mm。從跨中向鋼桁架兩端構(gòu)件中各節(jié)點(diǎn)的位移值逐漸降低。由于在鋼桁架的跨中位置產(chǎn)生了最大的位移，因此，危險截面和危險點(diǎn)都處于鋼桁架的跨中位置。

圖4 鋼桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移圖(單位：m)

本文中鋼桁架的跨度為30 000 mm,根據(jù)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)桁架的撓度允許值為60 mm,實(shí)際模擬中最大位移值為106.104 mm>60 mm，超過了最大允許的撓度值，因此，需要對鋼桁架進(jìn)行進(jìn)一步加固。

結(jié)構(gòu)中各桿件的軸力圖如圖5所示。從圖5可以看到鋼桁架上弦桿的內(nèi)力較大，主要受壓，下弦桿和腹桿的內(nèi)力較小，有受壓也有受拉。從內(nèi)力圖中可以看出上弦桿承受著較大的內(nèi)力。

圖5 鋼桁架結(jié)構(gòu)軸力圖

通過以上有限元數(shù)值模擬分析可以看出，鋼桁架在外力作用下發(fā)生彎曲變形，此外，鋼桁架節(jié)點(diǎn)的位移和內(nèi)力的最大值都發(fā)生跨中位置，并由跨中向兩側(cè)逐漸降低。因此可以得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)的危險點(diǎn)和危險截面都處在結(jié)構(gòu)的跨中位置，并且結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大位移值超出規(guī)定的范圍，所以需要對鋼桁架進(jìn)行進(jìn)一步的加固，特別是結(jié)構(gòu)的跨中位置需要重點(diǎn)防護(hù)。本文將根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果提出幾條加固的可行性建議。

4 鋼桁架加固建議

通過以上有限元分析可知，鋼桁架跨中位置是受力和變形最大的地方，也是亟需重點(diǎn)加固的地方。目前對鋼桁架加固的方法主要有三種：①減輕豎向荷載；②改變傳力途徑；③加大原構(gòu)件截面面積和強(qiáng)度。由于第三種方法比較費(fèi)時費(fèi)力，所以本文推薦第一種和第二種方法相結(jié)合的方法。

對于第一種減輕豎向荷載的方法，可以將原有較重的構(gòu)件換成材質(zhì)較輕的構(gòu)件。例如將頂板和側(cè)板鋼筋混凝土掛板改成輕型彩鋼面板，將底板右側(cè)的混凝土臺階改成鋼制臺階或者其他輕質(zhì)臺階。

對于第二種改變傳力途徑的方法，在前面模擬中可以看到鋼桁架跨中內(nèi)力和位移都是最大的。鋼桁架跨中桿件和樓面板都發(fā)生了較大的位移，為了降低荷載對樓面板的作用保證結(jié)構(gòu)安全，可以在樓面板下弦各腹桿處安裝一橫向連接梁[3]，這樣上部的荷載就不會直接作用到樓面，而是傳遞到橫向連接梁上，再由橫向連接梁傳遞到鋼桁架上以此降低對樓面板的影響。此外，為了降低桁架的變形量，可以在鋼桁架跨中位置增加一座鋼支架，這樣上部的荷載就會由三個支座來承受，以此降低跨中位置桿件的變形量。

5 結(jié) 論

1)鋼桁架皮帶走廊在荷載作用下發(fā)生彎曲變形，桁架的跨中位置位移和內(nèi)力最大，是受力最薄弱位置。

2)根據(jù)模擬的結(jié)果對鋼桁架的加固建議，一是降低豎向荷載的作用，二是改變傳力的方向。通過采取兩種方法相結(jié)合的方法，能夠達(dá)到較好的加固效果。

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