林文強(qiáng)

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 福建福州 350003）

1 概述

隨著國家對(duì)大氣環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，要求燃煤鍋爐煙氣實(shí)行超低排放，煙塵排放濃度限值≤5 mg/m3，二氧化硫排放濃度限值≤35 mg/m3，氮氧化物排放濃度限值≤50 mg/m3。電廠鍋爐煙氣通過脫硫脫硝后煙塵一般沒有達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)［1］，需要在脫硫后再增加濕電除塵器使得達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)［2］。改造場(chǎng)地有限和原有煙囪防腐達(dá)不到要求，需要在濕電除塵器頂上設(shè)立直立鋼煙囪，設(shè)備總體要達(dá)到60 m 以上。煙囪支撐鋼架比較復(fù)雜，其支撐梁受力分析人工計(jì)算比較困難，且耗時(shí)長。ANSYS 是一款常用CAE 軟件，有強(qiáng)大計(jì)算功能。該文工程研究對(duì)象結(jié)構(gòu)尺寸見圖1 所示，鋼架的受力分析使用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)計(jì)算。

2 鋼架受力分析

2.1 計(jì)算煙囪對(duì)煙囪支撐鋼架的載荷

根據(jù)JB/T 4710—2005 鋼制塔式容器標(biāo)準(zhǔn)編制的計(jì)算表格，計(jì)算出標(biāo)高+34.500 m 處對(duì)煙囪產(chǎn)生彎矩M=7 053 826 N·m（本工程的基本風(fēng)壓為0.8 kN/m2）和煙囪的自重W=656 600 N。煙囪支座采用剛性支撐環(huán)，支撐中心線直徑D=6.2 m，支撐點(diǎn)數(shù)n=8 個(gè)（均布）見圖1 所示。根據(jù)NB/T 47003.1—2009 鋼制常壓容器標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)支撐點(diǎn)的壓力計(jì)算公式見式（1）。

圖1 煙囪和煙囪支撐鋼架示意圖

式中：Fb為作用于一個(gè)支撐點(diǎn)的壓力，N；M 為外載荷作用在煙囪的彎矩，N·m；Db為支撐中心線直徑，m；W 為垂直載荷，取設(shè)備最大操作重量，N；n 為支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)。

由式（1）可計(jì)算出每個(gè)支撐點(diǎn)的壓力Fb為650 932 N。

2.2 建立計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)，選擇分析模塊Strucktural［3］、桿單元beam189［4］；設(shè)置材料彈性模量210E9，泊松比0.3；在section 列表中輸入鋼架所需的各種型材的尺寸（立柱為方管400×16；1 號(hào)梁H1200×300×20×30；2 號(hào) 梁HN700×300×13×24；3 號(hào) 梁HN350×175×7×11；1 號(hào)鋼管φ159×5；2 號(hào)鋼管φ219×6）。

根據(jù)圖1 中的尺寸建立鋼架模型：先建立各控制點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)不同方案連接成直線，接著設(shè)置全局劃分分段數(shù)為10，然后根據(jù)不同方案，給各條直線賦予桿單元beam189 屬性和型材截面序號(hào)桿單元beam189 屬性，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

方案1：標(biāo)高+34.500 處支撐梁為1 號(hào)梁H1200×300×20×30，支撐中心線處梁沒設(shè)八字斜撐。標(biāo)高+42.700 處支撐梁為3號(hào)梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撐為1 號(hào)鋼管φ159×5，鋼架梁立面方向斜撐為2 號(hào)鋼管φ219×6。

方案2：標(biāo)高+34.500 處支撐梁為2 號(hào)梁HN700×300×13×24，支撐中心線處梁增設(shè)四對(duì)八字斜撐為2 號(hào)鋼管φ219×6，標(biāo)高+42.700 處支撐梁為3 號(hào)梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撐為1 號(hào)鋼管φ159×5，鋼架梁立面方向斜撐為2 號(hào)鋼管φ219×6。

2.3 建立分析類型

選擇靜力學(xué)分析模塊。設(shè)置標(biāo)高+28.450 m 4 個(gè)控制點(diǎn)為位移約束（不能平移，但可以轉(zhuǎn)動(dòng)）；在圖1 中標(biāo)高+34.500 m小圓圈標(biāo)記的8 個(gè)位置控制點(diǎn)設(shè)置集中載荷Fz=-650 932 N；方案1 和方案2 邊界條件設(shè)置是一樣的。

2.4 求解結(jié)果

在GUI 界面Solution>Solve>Current LS 命令，分別完成方案1 和方案2 的求解。

方案1 應(yīng)力云圖結(jié)果見圖2，顯示最大應(yīng)力位置和應(yīng)力值188 MPa，能滿足受力要求。

圖2 方案1 煙囪支撐鋼架的應(yīng)力云圖

方案2 應(yīng)力云圖結(jié)果見圖3，顯示最大應(yīng)力位置和應(yīng)力值215 MPa，能滿足受力要求。

圖3 方案2 煙囪支撐鋼架的應(yīng)力云圖

3 比較結(jié)果

比較方案1 和方案2，鋼架標(biāo)高+34.500 m 處所采用的支撐梁型材都能符合要求。方案1：梁H1200×300×20×30 型材單位重量320.28 kg/m，共需要83.85 m，重量為26 855 kg；方案2：梁HN700×300×13×24 型材單位重量181.76 kg/m，共需要83.85 m，重量為15 241 kg，支撐鋼管φ219×6 型材單位重量31.52 kg/m，共需要59 m，重量為1 860 kg，耗材總重15241+1860=17101 kg；方案2 比方案1 鋼材用量減少了約9 754 kg，本工程按3 套計(jì)算，共節(jié)省約29 262 kg，工程鋼材成本（含材料費(fèi)和施工費(fèi)）每噸按0.8 萬元，共節(jié)省成本23.41 萬元。

本工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件分析計(jì)算，能優(yōu)化鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少鋼架鋼材耗量，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益。本工程用ANSYS 計(jì)算耗時(shí)1.5 d，如果用人工計(jì)算則大概需要5 d 左右（計(jì)算錯(cuò)誤引起的浪費(fèi)時(shí)間除外）。

4 結(jié)語

本文介紹的實(shí)際工程中的煙囪支撐鋼架設(shè)計(jì)，通過選擇不同鋼柱、鋼梁截面和不同斜撐連接方案進(jìn)行建模分析計(jì)算，ANSYS 軟件能夠幫助工程師比較不同方案，選出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，完成煙囪支撐鋼架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于一些復(fù)雜鋼架結(jié)構(gòu)（如靜不定結(jié)構(gòu)）的受力分析計(jì)算，計(jì)算機(jī)計(jì)算對(duì)比人工計(jì)算能更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果和更短的計(jì)算時(shí)間。在工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件分析計(jì)算，能優(yōu)化鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少鋼架鋼材耗量，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益。