某大型鋼框架煤塔復(fù)雜節(jié)點設(shè)計和分析

1、某大型鋼框架煤塔復(fù)雜節(jié)點設(shè)計和分析李海旺 廉建中摘 要：利用有限元軟件ANSYS，對某大型煤倉支承框架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點域進(jìn)行計算分析，結(jié)構(gòu)表面：對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系，因節(jié)點域構(gòu)造復(fù)雜，其應(yīng)力分布需采用有限元法補充計算，并應(yīng)根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行承載力驗算；節(jié)點域某些地方會進(jìn)入塑性，如果塑性區(qū)較小可按計算部位的“平均應(yīng)力”進(jìn)行承載力驗算，如塑性區(qū)過大應(yīng)增大截面或增設(shè)加勁肋使其滿足承載力的要求；所設(shè)計的節(jié)點域變形很小，腹板沒有發(fā)生局部鼓曲，符合總體結(jié)構(gòu)剛性節(jié)點的假定。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)煤塔；筒倉；節(jié)點域；有限元分析1 工程概況該煤塔位于某焦化廠有限公司新廠區(qū)，設(shè)計最大儲煤量達(dá)1800t，結(jié)構(gòu)總高35m，長2

2、5.3m,寬7.2m，是煤焦生產(chǎn)線的關(guān)鍵控制工程，煤塔結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。根據(jù)工藝和結(jié)構(gòu)布置的要求，該煤塔下部支承于4根鋼筋混凝土柱之上，每根柱子的截面為1500mm×1500mm；上層為鋼結(jié)構(gòu)框架-支撐體系，位于樓面標(biāo)高11.657m（梁底標(biāo)高）以上，并將其分為8層。煤塔兩側(cè)為直壁式，中間位弧形雙肢的形式，表該19.960m處弧形的兩肢合龍相交，煤塔縱向左端設(shè)有小斜坡，有段設(shè)有大斜坡，圖1中粗線所表示的構(gòu)件，在外圍既是結(jié)構(gòu)的支撐，又充當(dāng)了大小斜坡的斜梁，大小斜坡與內(nèi)部縱向弧形結(jié)構(gòu)相貫；煤塔外壁及縱向弧形面上焊鋼骨架鋪設(shè)鋼板，鋼板上再鋪石板以防煤粒對鋼板的磨損和腐蝕，這樣就形成在2

3、9.980m處給煤，在11.657m處卸煤的煤塔儲煤區(qū)。2 荷載和自然條件該鋼結(jié)構(gòu)的儲煤區(qū)已經(jīng)形成了一個狹長的異形筒倉，屬于筒倉結(jié)構(gòu)體系。但是實際工程中大多采用鋼筋混凝土筒倉，國家也只是制定了GB50077-2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范，全鋼材質(zhì)應(yīng)用較少。由于煤塔在運用過程中，不但要受到煤粒下卸的沖擊荷載，還要受到兩側(cè)搗固機的振搗動載，恒載和活載都比較大，受力復(fù)雜，傳力路徑不清晰。上述諸多因素造成了結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難，所以在使用設(shè)計軟件PKPM-STS進(jìn)行設(shè)計時，對于一些參數(shù)的選取只能通過對比選用最不利情況進(jìn)行。2.1荷載的選取恒荷載1）1、2、7層非煤倉部分設(shè)有工作平臺，采用梁格上鋪設(shè)花紋鋼板

4、，恒載標(biāo)準(zhǔn)值為0.471KN/；2）屋面采用輕型屋面體系，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為0.5 KN/；3）每個出料口下部吊掛一臺給煤機，每臺給煤機的恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10 KN；4）煤倉外部吊掛的搗鼓機的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為70KN/臺；5）電動葫蘆的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5 KN/臺；6）皮帶牽引機的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為28 KN/臺；7）鋼板的恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為78.5 KN/?？勺兒奢d1）樓面平臺活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.0 KN/；2）屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.5 KN/；4）雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：0.25KN/；5）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：0.5KN/；6）儲煤活載：根據(jù)GB50077-2003計算儲煤對倉壁的作用。自然條件1）基本風(fēng)壓：0.

5、50KN/，地面粗糙度：C類；2）基本風(fēng)壓：0.25KN/；3）抗震設(shè)防烈度為7度；設(shè)計地震分組為第一組；設(shè)計院基本地震加速度0.10g，g為重力加速度；4）抗震設(shè)防類別：丙類建筑；5）場地特征周期：Tg=0.35s；6）場地類別：類。2.2 節(jié)點設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)整個設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)，連接節(jié)點設(shè)計是否安全，對保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度、對制作安裝的質(zhì)量和進(jìn)度以及整個建設(shè)周期和成本都有著直接的影響。連接節(jié)點的設(shè)計不僅要遵循簡捷、可靠、便于施工的原則，而且還要考慮到施工水平。該工程設(shè)計為安裝螺栓加焊接的節(jié)點連接方式。梁柱節(jié)點可分為柱貫通式和梁貫通式，考慮到本工程屬高層工業(yè)建筑，所

6、以采用柱貫通式梁柱節(jié)點。在框架底部（標(biāo)高11.657m）考慮到結(jié)構(gòu)整體性，采用梁貫通的形式，結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。在頂層，由于沒有煤的荷載，只有屋面恒載和活載，考慮經(jīng)濟效益，采用門式剛架的結(jié)果形式。在設(shè)計中遵循“簡單構(gòu)件，復(fù)雜節(jié)點”的理念，盡量避免直接采用的曲線構(gòu)件，將節(jié)點之間的桿件簡化為直線構(gòu)件或者分段直線構(gòu)件。在弧線柱的設(shè)計中，由于工藝的要求，柱要求為弧形，但直接制作弧形焊接H型鋼加工難度大，故采用分段直線構(gòu)件，可以大大降低價格難度，有效減少加工成本（表1）。在焊接骨架時，在兩側(cè)直壁和弧形面上采用了與支撐不同的連接方式：在兩側(cè)直壁采用支撐不斷，骨架梁斷的形式。這樣做的主要原因是：前者結(jié)構(gòu)的

7、整體穩(wěn)定性是主因，煤粒對兩側(cè)直壁的側(cè)壓力相對次要；而后者由于弧形面的傾斜，煤粒對弧形面的壓力相對是次要；而后者由于弧形面的傾斜，煤粒對弧形面的壓力影響上升的主因，骨架梁地位上升；還有一點原因就是便于在施工時更好的形成弧面。最后再加上弧形柱間支撐則又起到了增強弧面承載力和提高結(jié)構(gòu)整體剛度的作用。為了在連接節(jié)點處保證其原有的完整連續(xù)性，節(jié)點連接方法采用剛性連接。此外，鋼框架的節(jié)點域應(yīng)驗算起抗剪強度、穩(wěn)定性和屈服力，當(dāng)不滿足要求時予以加強。由于該結(jié)構(gòu)荷載復(fù)雜，尤其是在使用過程中，結(jié)構(gòu)要受到動載荷的作用，故構(gòu)件內(nèi)力大，板件較厚，因此在設(shè)計中還應(yīng)注意連接節(jié)點的合理構(gòu)造，避免采用易于產(chǎn)生過大約束應(yīng)力和層狀

8、撕裂的連接形式和連接方法，使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，而且便于加工制作和安裝。3 節(jié)點域有限元分析3.1有限元分析要點框架體系底部梁柱節(jié)點的受力性能對于上部結(jié)構(gòu)乃至整個結(jié)構(gòu)的影響是不言而喻的，故選取了底層外圍縱向3個有代表性的節(jié)點，節(jié)點1為底層邊柱梁柱節(jié)點，節(jié)點2為底層中部普通節(jié)點，節(jié)點3為大斜坡起坡處的節(jié)點，運用ANSYS有限元分析軟件，對其設(shè)計結(jié)果進(jìn)行校核，節(jié)點所在位置如圖1所示。在有限元分析過程中采用shell 181殼單元模擬型鋼翼緣、腹板以及加勁肋。假定梁柱完全剛接，忽略因焊接和施工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，初始幾何缺陷和焊接缺陷對模型的影響，最終建立節(jié)點有限元模型，如圖3所示。各節(jié)點計算簡圖如圖4

9、所示。根據(jù)各節(jié)點在結(jié)構(gòu)體系中的受力狀態(tài)，節(jié)點1節(jié)點3的受力和約束狀態(tài)如圖4所示。圖中構(gòu)件截面規(guī)格如圖2所示。桿端內(nèi)力根據(jù)PKPM計算結(jié)果，選取不利組合的設(shè)計值，具體數(shù)值如表3所示。材料選用Q345鋼，計算模型選雙線性彈塑性材料模型，密度為7850/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345MPa，切線模量為6.18GPa。3.2計算結(jié)果和分析通過ANSYS軟件對各種節(jié)點進(jìn)行分析計算，得到個節(jié)點域變形圖和Von Mises應(yīng)力分布云圖，如圖5、圖6所示。 由各節(jié)點的應(yīng)力圖可發(fā)現(xiàn)，節(jié)點域的應(yīng)力突變主要發(fā)生在梁與柱、支撐交接、加勁肋板處，屬于節(jié)點的薄弱環(huán)節(jié)，分析主要原因是在這些地

10、方桿件集中，截面突變變大，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中所致。 通過節(jié)點的變性圖可以看到，節(jié)點域的總體變形較小，抵抗變形的能力較好。節(jié)點1相對于另兩個節(jié)點變形較大，主要原因是此節(jié)點是邊柱節(jié)點，受橫向、縱向彎矩作用的共同影響，受力復(fù)雜。節(jié)點2受力較小，應(yīng)力和變形相應(yīng)較小。節(jié)點3的右支撐由于還充當(dāng)大斜披起坡處的斜梁，故此節(jié)點的變形和應(yīng)力相對于節(jié)點2要大一些。 各節(jié)點的最大平均位移和最大Von Mises應(yīng)力，如表3所示。 通過表4可知，節(jié)點1的最大Von Mises應(yīng)力為468MPa，超過了鋼材的強度設(shè)計值，理論上鋼材已經(jīng)破壞，但是對于這種局部超過強度的設(shè)計值的情況，如果應(yīng)力峰值范圍很小，且應(yīng)力峰值超過強度設(shè)計

11、值不大，可以將分布范圍較大的最大應(yīng)力值作為判斷依據(jù)。這是由于在進(jìn)行有限元分析時，很難充分考慮焊縫幾何尺寸、焊接殘余應(yīng)力、材料的塑性內(nèi)力重分布等因素的影響，因此應(yīng)遵循“平均應(yīng)力”的控制原則，而不是范圍極小的應(yīng)力峰值。由節(jié)點1的應(yīng)力圖可知，節(jié)點處應(yīng)力在104260MPa范圍內(nèi)的分布區(qū)域最廣，可以認(rèn)為此處節(jié)點是滿足承載力要求的。4 結(jié)論1）對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系，因節(jié)點域構(gòu)造復(fù)雜，其應(yīng)力分布需進(jìn)行補充計算，并應(yīng)根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行承載力驗算。2）有限元分析結(jié)果表明，節(jié)點域某些地方會進(jìn)入塑性，如果塑性區(qū)域較小應(yīng)按所計算部位的“平均應(yīng)力”進(jìn)行承載力的驗算，而如果塑性區(qū)過大則應(yīng)增大截面或增設(shè)加勁肋使其滿足承載力的要求。3）經(jīng)過計算可知，節(jié)點域的變形是很小，腹板沒有發(fā)生局部鼓曲，符合總體結(jié)構(gòu)剛性節(jié)點的假定，能夠保證結(jié)構(gòu)安全使用。參考文獻(xiàn)1 GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范S。 2 GB50077-2003 鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)