王勇,李謹(jǐn)

(1.浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司,浙江諸暨 311800;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

板筋結(jié)構(gòu)強度計算及最優(yōu)化設(shè)計

Strength calculation and design optimization of sheet-beam structure

王勇1,李謹(jǐn)2

(1.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?浙江諸暨 311800;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

板筋結(jié)構(gòu)是除塵器的重要結(jié)構(gòu)形式,其結(jié)構(gòu)的強度與除塵器的安全性有著密切的關(guān)系。介紹了板筋結(jié)構(gòu)在除塵器應(yīng)用中的荷載、強度計算方法,并利用VB軟件進(jìn)行板筋結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計。

板筋結(jié)構(gòu);強度計算;最優(yōu)化

隨著國家對大氣污染問題重視程度的提高,煙氣治理技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,除塵設(shè)備用戶和制造廠家對其安全性和經(jīng)濟性方面的關(guān)注度也逐漸提高。目前,國內(nèi)許多廠家在除塵器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計上多采用類比法,即參考以往的實例來進(jìn)行等效代換,這往往會造成材料的浪費或存在一定的安全隱患。因此,按照力學(xué)理論確定除塵器各構(gòu)件的規(guī)格,在保證各部件設(shè)計安全的前提下最大程度的節(jié)省材料有著非常重要的工程和實踐意義。

無論靜電除塵器還是布袋除塵器,其主體結(jié)構(gòu)都是鋼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由立柱,頂梁,頂板,墻板,灰斗及煙道等組成的封閉式箱體結(jié)構(gòu),經(jīng)力學(xué)模型可以簡化為相應(yīng)的板筋結(jié)構(gòu)。因此,板筋結(jié)構(gòu)的強度計算方法對除塵器設(shè)計具有重要的意義。

1 板筋結(jié)構(gòu)強度計算方法

除塵器上的板筋結(jié)構(gòu)是指在薄鋼板上加筋(扁鋼、角鋼或槽鋼等)組成的墻板結(jié)構(gòu),主要承受負(fù)壓、灰壓、風(fēng)壓及自重等。

板筋結(jié)構(gòu)強度計算包括鋼板和加強筋兩部分,分別按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計以保證安全,按正常使用極限狀態(tài)校核以保證構(gòu)件的適用性。由于板筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛,為方便介紹,本文以除塵器殼體板為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度計算。

1.1 荷載計算方法

板殼的強度計算需考慮其所承受的各種荷載,主要包括除塵器運行時的負(fù)壓,殼體的自重及保溫巖棉的重量等。除塵器多安置在室外,所承受的風(fēng)壓也應(yīng)考慮在內(nèi)。此外,除塵器工作溫度通常在200℃左右,而在高溫下鋼材的強度會明顯下降,因此,還要考慮溫度對殼體強度的影響。

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)要求,鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法,用分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。在進(jìn)行板殼結(jié)構(gòu)強度計算時,先按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計以保證安全,再按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行校核以保證構(gòu)件的適用性。

1.1.1 荷載的承載能力設(shè)計表達(dá)式

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合(可變荷載為主的組合或永久荷載為主的組合),用荷載設(shè)計值進(jìn)行計算(不考慮地震),采用如下表達(dá)式:

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要度系數(shù),一般鋼結(jié)構(gòu)取其值為1.0;S為不考慮地震作用時,荷載效應(yīng)組合設(shè)計值; R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力設(shè)計值。

由于殼體的強度是受除塵器負(fù)壓控制,所以對于基本組合,荷載效應(yīng)組合設(shè)計值按照可變荷載效應(yīng)控制的組合進(jìn)行計算:

1.1.2 極限狀態(tài)校核表達(dá)式

對于正常使用極限狀態(tài),一般考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合并按下列設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行驗算:

式中:S為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值(撓度或位移);C為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值。

1.2 板筋結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計方法

1.2.1 鋼板

取鋼板上單位寬度為計算單元,假設(shè)該單元上的荷載由上下相鄰的兩加強筋承擔(dān),按照簡支梁均布載荷進(jìn)行計算。

板單元的最大彎矩為:

式中:L為兩加強筋的間距。板的最大彎應(yīng)力:

式中:W是板單元的抗彎截面系數(shù);[σ]為型鋼的許用強度。

1.2.2 加強筋

以寬為30δ(δ為鋼板的厚度)鋼板和型鋼組合的斷面為計算斷面。

筋的強度按下式計算:

式中:MmaxI為筋上的最大彎矩;JI為筋的慣性矩, cm4;y為計算斷面最邊點與慣性軸的距離。

1.3 板筋結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)校核方法

1.3.1 鋼板

鋼板的最大變形量ymax按照下式計算

式中:L是跨距;E是鋼材的彈性模量;J是鋼板的慣性矩;其余變量同上。

2.3.2 加強筋

本例中加強筋為單跨,可以等效為簡支梁,則加強筋的最大變形按照下式計算:

本節(jié)中關(guān)于加強筋部分所提到的公式等只針對單跨結(jié)構(gòu),均布荷載的情況。其余形式可查閱《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》,將荷載代入相應(yīng)的公式即可,此處不再贅述。

2 最優(yōu)化設(shè)計

上面的公式不僅復(fù)雜而且要去工程手冊中查閱大量的參數(shù),計算起來十分繁瑣。因此,將強度計算的算法用計算機VB軟件進(jìn)行開發(fā),不僅計算速度快,而且能對板筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度校核,采用窮舉法可對板筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為了增加程序的可擴展性,整個程序采用模塊化設(shè)計。

VB軟件操作步驟:在型鋼類型選擇界面選擇需要采用的型鋼類型;在結(jié)構(gòu)及受力形式選擇界面選取構(gòu)件結(jié)構(gòu),除塵器中絕大多數(shù)受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及受力形式都可以找到?？刂茀?shù)、荷載及計算結(jié)果界面主要包括三種類型的參數(shù):控制參數(shù)是判斷結(jié)構(gòu)強度是否符合國家規(guī)范的判據(jù),有關(guān)荷載和結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)需用戶在每次計算時輸入。根據(jù)選用型鋼的材料先按照國家規(guī)范設(shè)定設(shè)計強度,再根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性等要求設(shè)定穩(wěn)定系數(shù)及變形系數(shù)等,然后輸入負(fù)壓等荷載就能獲得最優(yōu)的型鋼規(guī)格。

3 結(jié)語

板筋結(jié)構(gòu)是除塵器等以鋼結(jié)構(gòu)為主體的設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)形式,其結(jié)構(gòu)的強度及經(jīng)濟性與除塵器等設(shè)備的安全性及性價比有著密切的關(guān)系。開發(fā)成功的板筋結(jié)構(gòu)強度計算及最優(yōu)化程序經(jīng)過一年的運行,證明其具有準(zhǔn)確、高效、可靠等優(yōu)點,非常適合除塵器等鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家使用。

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X701.2

B

1674-8069(2010)05-043-02

2010-06-17;

2010-08-10

王勇(1980-),男,山西平遙人,碩士,工程師,主要從事布袋除塵器、電袋復(fù)合除塵器的研發(fā)及設(shè)計工作。E-mail: EricBen@126.com

Abstract:The sheet-beam structure is important structural type of dust removers and its strength has the close relat ionship w ith dust removers’security.The methods of calculating load and strength are introduced and design opt im ization w ith VB about sheet-beam in dust removers is also discussed.

Key words:sheet-beam structure;strength calculation;opt im izat ion