路蘭卿，趙 靜

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

某PET 降解項(xiàng)目于2015 年在天津?yàn)I海新區(qū)落戶，PET 降解是一環(huán)保項(xiàng)目，屬于國家“863”攻關(guān)計(jì)劃。PET 是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的簡(jiǎn)稱，截至2005 年世界產(chǎn)量已經(jīng)超過了4091 萬噸，其中有約600 多萬噸用于了PET 飲料瓶的加工。丟棄廢棄的PET 制品是對(duì)石油資源的一種間接浪費(fèi)。所以是從資源再利用考慮還是從人類對(duì)賴以生存的生態(tài)環(huán)境要求考慮，都應(yīng)該對(duì)PET瓶進(jìn)行回收利用。該項(xiàng)目即是對(duì)PET 塑料瓶進(jìn)行無害化回收的項(xiàng)目，工程設(shè)計(jì)年處理能力1000t，項(xiàng)目中涉及到大量的運(yùn)動(dòng)和靜止設(shè)備，這些設(shè)備的固定需要大量的鋼支架。通常的做法是首先選定結(jié)構(gòu)形式，再用ANSYS 應(yīng)力分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行受力分析，但是由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)間緊迫均沒有用進(jìn)行詳細(xì)地應(yīng)力分析，而是進(jìn)行了如下的簡(jiǎn)便手算。后經(jīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析與分析結(jié)果吻合，并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果穩(wěn)妥可靠，故而將此次鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程分享給大家。

1 鋼架結(jié)構(gòu)圖和技術(shù)參數(shù)

圖1 中支架上固定有8 臺(tái)設(shè)備，鋼結(jié)構(gòu)承重也只是該8 臺(tái)設(shè)備的自重、物料重量以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程造成的沖擊。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)圖

技術(shù)參數(shù)每臺(tái)設(shè)備重量按3t 計(jì)，主結(jié)構(gòu)采用200×200×8×12 的H 型鋼，橫梁采用175×175×7.5×11 的H 型鋼，連接板12mm，立柱底腳采用24mm和14mm 鋼板，材料均采用GB/T 700－1999 中的Q235－A，σb=410MPa，σs=235MPa，f＝215 MPa，fv＝125 MPa 緊固件采用規(guī)格為M16、M20 強(qiáng)度等級(jí)為10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓，許用拉力分別為P=100KN，P=155KN，抗滑移摩擦系數(shù)μ=0.35，設(shè)備安裝在室內(nèi)。結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。下面是對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核的闡述。

2 設(shè)計(jì)校核

由圖1 知該鋼結(jié)構(gòu)有4 層，每層的承重相同，首先對(duì)支撐設(shè)備的橫梁進(jìn)行校核（因在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的是簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算中沒有考慮構(gòu)件自重）。

2.1 橫梁1 的計(jì)算校核

圖2 橫梁1 受力圖

受力見圖2。考慮到安裝以及裝置正常生產(chǎn)時(shí)的維修均需要承受一些活載荷，而且設(shè)備需要安裝在橫梁上，其設(shè)備安裝要求橫梁橫向結(jié)構(gòu)尺寸不得小于150mm，所以橫梁采用了175×175×7.5×11 的H 型鋼，其截面面積A=5143mm2，截面模量Wx=331000mm3。F1=F2=15000N，R1=R2=15000N。

式中：F1，F(xiàn)2—剪力（N）；R1，R2—支撐力（N）；L—力矩的力臂（mm）；Mmax—橫梁所受最大力矩（N·mm）；Wx—橫梁截面模量（mm3）；σ—材料許用應(yīng)力（MPa）。

2.2 橫梁2 的計(jì)算校核

其受力如圖3。橫梁規(guī)格：175×175×7.5×11 的H 型鋼，截面面積A＝5143mm2，截面模量Wx=331000mm3。

2.3 橫梁2 與立柱的連接計(jì)算校核

圖3 橫梁2 的受力圖

由圖4 知，梁柱間隙位15mm，螺栓數(shù)量為2，梁柱間隙10mm，螺栓直徑M16，螺栓孔17.5mm，螺栓間距。由上知橫梁的力。單根螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值[1]：

（1）螺栓抗剪驗(yàn)算：每根螺栓的剪力：NV=N/n=15/2=7.5kN。由于剪力作用點(diǎn)與立柱邊緣的距離位45mm，計(jì)算連接板與與立柱的焊縫時(shí)，應(yīng)該考慮由于剪力偏心所產(chǎn)生的附加彎矩的作用。根據(jù)文獻(xiàn)[2]知：。則，在建立剪力和偏心彎矩的共同作用下，一個(gè)受力最大的螺栓所受的剪力為：31.5kN。

圖4 梁與立柱的連接圖

式中：N—垂直力（N）；NV—螺栓剪力（N）；NM—由于彎距引起的螺栓剪力（N）；NVb—螺栓許用剪力（N）；yi—所驗(yàn)算螺栓至螺栓組形心的豎向距離（mm）。雖然梁柱連接按照鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是設(shè)備安裝調(diào)整到位后，連接板與橫梁焊接。

（2）連接板厚度計(jì)算：

式中：t—連接板計(jì)算厚度（mm）；tw—腹板算厚度（mm）；h1—次梁的內(nèi)廓高度（mm）；h2—連接板高度（mm）；n—螺栓數(shù)量；d0—螺栓孔（mm）；取連接板的厚度10mm。

（3）連接板的強(qiáng)度驗(yàn)算：

在偏心彎矩作用下連接板的抗彎強(qiáng)度：

（4）連接板焊縫的強(qiáng)度驗(yàn)算：

式中：lf—焊縫長度（mm）；lw—焊縫有效長度（mm）；t2—次梁翼板厚度（mm）；r—梁的圓角半徑（mm）；hf—焊縫高度（mm）；WW—焊縫截面模量（mm3）；h2—連接板高度（mm）；n—螺栓數(shù)量d0—螺栓孔（mm）。

2.4 橫梁1 與橫梁2 的連接計(jì)算校核

該兩梁的連接同樣采用鉸接結(jié)構(gòu)，計(jì)算中忽略梁的扭轉(zhuǎn)受力，但是考慮由于螺栓固定位置與梁之間形成的間隙產(chǎn)生的偏心彎矩影響。橫梁1 與橫梁2 由于偏心比較大，所以采用M20 螺栓，強(qiáng)度等級(jí)10.9 級(jí)。結(jié)構(gòu)件圖5。

（1）螺栓抗剪驗(yàn)算：?jiǎn)胃菟辜舫休d力設(shè)計(jì)值：

圖5 橫梁1 與橫梁2 的連接圖

單根螺栓承壓承載力設(shè)計(jì)值：

在剪力和偏心彎矩的共同作用下，一個(gè)受力最大的螺栓所受的剪力為：

（2）主梁加勁肋的板厚。當(dāng)主梁加勁肋厚度不小于次梁的腹板厚度時(shí)，認(rèn)為滿足強(qiáng)度要求。單滿足構(gòu)造要求應(yīng)滿足下式要求：

因?yàn)榇瘟焊拱搴穸葹?.5mm，如果大于7.5mm 時(shí)，次梁腹板需要加墊板，所以綜合考慮以上要素，取加勁肋7.5mm。

（3）主梁加勁肋連接焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算：

（4）連接板計(jì)算。

設(shè)連接板6mm 進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：

連接板凈截面面積等于梁腹板的凈截面面積時(shí)需要的連接板厚度t：

螺栓間距最大要求時(shí)連接板厚度t：

綜合以上要求取連接板厚度6mm 滿足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求。當(dāng)設(shè)備安裝調(diào)整到位后，同樣焊接固定。

2.5 立柱設(shè)計(jì)校核

立柱按其受力分為軸心受壓和偏心受壓兩種。軸心受壓的承載能力主要取決于強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性條件，在工程中對(duì)偏心受壓柱，其承壓能力往往只取決于穩(wěn)定性條件[2]。在該鋼結(jié)構(gòu)中，其立柱受力形式屬于偏心受壓柱。

（1）強(qiáng)度校核。由結(jié)構(gòu)圖1 知，框架由四層構(gòu)成，其中每一層的力相同，對(duì)立柱的彎矩作用點(diǎn)有4 個(gè)且值相同。由上面的計(jì)算值，立柱所受的彎矩為Mx=4×Me=4×15000×45=2700Nm，繞y 軸沒有彎矩。設(shè)備總重30t（含動(dòng)載）。立柱規(guī)格為H 型鋼200×200×8×12，截面積6428mm2，截面模量477000mm3。

滿足強(qiáng)度要求。式中：N—垂直力（N）；Mx，My—彎距（Nm）；γx，γy—與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx，Wny—凈截面模量（m3）雖然梁柱連接按照鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是設(shè)備安裝調(diào)整到位后，連接板與橫梁焊接。

（2）穩(wěn)定性校核。由立柱結(jié)構(gòu)圖知，該結(jié)構(gòu)立柱所承受彎矩均作用在對(duì)稱平面內(nèi)（繞x 軸），立柱截面形式為等截面實(shí)腹柱。穩(wěn)定性計(jì)算包括平面內(nèi)和平面外兩種情況。

（3）彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性。彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性滿足下式要求時(shí)即為合格。

立柱分四層，其中1，2，3 層層高為16mm，第4層35mm，所用材料和規(guī)格均相同，其計(jì)算公式如下：

第1～3 層的計(jì)算：

第4 層的計(jì)算：

（4）彎矩作用平面外的穩(wěn)定性：彎矩作用平面外的穩(wěn)定性滿足下式要求時(shí)即為合格。

第1～3 層的計(jì)算：

第4 層的計(jì)算：

（5）局部穩(wěn)定校核。翼緣的局部穩(wěn)定，翼緣板自由外伸寬度b 與其厚度之比滿足下式要求：

當(dāng)1.6＜α0≤2.0 時(shí)。腹板計(jì)算高度h0與其厚度tw之比，應(yīng)符合下式要求：

2.6 立柱柱腳設(shè)計(jì)校核

柱腳的固定形式有鉸接柱腳和剛性柱腳，在承載不大的鋼架中多采用鉸接式，主要用于承受壓力和剪力，剛性柱腳不僅能承受壓力、剪力還可以承受立柱的彎矩。在該項(xiàng)目中我們采用了鉸接結(jié)構(gòu)－平板式柱腳，為了使柱腳所承載的力均勻地傳至基礎(chǔ)，一般會(huì)需要放大柱腳板的面積，并增大柱腳板的剛度。柱腳底面積應(yīng)滿足下式要求：

式中：N—垂直力（N）；σc—柱腳底板下混凝土基礎(chǔ)的反力（MPa）；βc—混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)不超過C50 時(shí)（取為1.0）；β1—當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C50 時(shí)（取為1.0）；fc—混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（MPa），水泥型號(hào)C30時(shí)，fc=14.3；L—柱腳底板的長度（mm）；B—柱腳底板的寬度（mm）。柱腳底板厚度計(jì)算（根據(jù)底板結(jié)構(gòu)不同選擇不同的計(jì)算公式，該柱腳按以下公式計(jì)算）：

柱腳底板厚度按照上式計(jì)算，并且不宜小于柱翼緣厚度的1.5 倍，則應(yīng)大于等于18mm，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)選用24mm 的底板。式中：N—垂直力（N）；σc—柱腳底板下混凝土基礎(chǔ)的反力（MPa）；tpb—柱腳底板的厚度（mm）；α—與b2/a2 有關(guān)的系數(shù)（取為0.1）；a3，b3—計(jì)算區(qū)格內(nèi)，版的短邊和長邊（mm）。

2.7 柱間支撐

在該鋼架中，支架不承受水平力（安裝在室內(nèi)，且不進(jìn)行地震計(jì)算），所以可以不設(shè)橫向支撐，但是考慮到柱高于2m，為了減小柱的自由長度同樣設(shè)置了等間距支撐。那么設(shè)計(jì)支撐力為：

由于結(jié)果知支撐力很小，考慮系統(tǒng)所用支撐構(gòu)件量不大，故支撐件采用了與橫梁相同的規(guī)格尺寸，從設(shè)計(jì)角度有很大設(shè)計(jì)裕量不需要驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

該鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用，員工上下搬運(yùn)東西也沒感到震顫。因?yàn)槠脚_(tái)和梯子都是標(biāo)準(zhǔn)形結(jié)構(gòu)，在這里不進(jìn)行計(jì)算，而其整體載荷對(duì)于該結(jié)構(gòu)影響不大，所以設(shè)計(jì)者進(jìn)行了估算不影響目前的計(jì)算結(jié)果，所以也不在這里贅述。該結(jié)構(gòu)后期又進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，模擬結(jié)果與人工計(jì)算結(jié)果相同。

[1]牟在根.簡(jiǎn)明鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]夏頌民，丁伯民，等.鋼架[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.中國計(jì)劃出版社，2003.

[4]包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.