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構(gòu)造的復(fù)雜節(jié)點域進展計算分析，構(gòu)造外表：對復(fù)雜鋼構(gòu)造體系，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)果進展承載力驗算；節(jié)點域某些地方會進入塑性，假設(shè)塑性區(qū)較小可按計算部位的“平均應(yīng)力進展承載力驗算，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)生部分鼓曲，符合總體構(gòu)造剛性節(jié)點的假定。關(guān)鍵詞：鋼構(gòu)造煤塔；筒倉；節(jié)點域；有限元分析工程概略該煤塔位于某焦化廠新廠區(qū)，設(shè)計最大儲煤量達1800t，構(gòu)造總高35m，長25.3

2、m,寬7.2m，是煤焦消費線的關(guān)鍵控制工程，煤塔構(gòu)造立面圖如圖1所示。根據(jù)工藝和構(gòu)造布置的要求，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1500mm1500mm；上層為鋼構(gòu)造框架-支撐體系，位于樓面標高11.657m梁底標高以上，并將其分為8層。煤塔兩側(cè)為直壁式，中間位弧形雙肢的方式，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，在外圍既是構(gòu)造的支撐，又充任了大小斜坡的斜梁，大小斜坡與內(nèi)部縱向弧形構(gòu)造相貫；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，這樣就構(gòu)成在29.980m處給煤，在

3、11.657m處卸煤的煤塔儲煤區(qū)。荷載和自然條件該鋼構(gòu)造的儲煤區(qū)曾經(jīng)構(gòu)成了一個狹長的異形筒倉，屬于筒倉構(gòu)造體系。但是實踐工程中大多采用鋼筋混凝土筒倉，國家也只是制定了GB50077-2003，全鋼材質(zhì)運用較少。由于煤塔在運用過程中，不但要遭到煤粒下卸的沖擊荷載，還要遭到兩側(cè)搗固機的振搗動載，恒載和活載都比較大，受力復(fù)雜，傳力途徑不明晰。上述諸多要素呵斥了構(gòu)造設(shè)計的困難，所以在運用設(shè)計軟件PKPM-STS進展設(shè)計時，對于一些參數(shù)的選取只能經(jīng)過對比選用最不利情況進展。2.1荷載的選取2.1.1恒荷載11、2、7層非煤倉部分設(shè)有任務(wù)平臺，采用梁格上鋪設(shè)花紋鋼板，恒載規(guī)范值為0.471KN/；2屋面采

4、用輕型屋面體系，恒荷載規(guī)范值取為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規(guī)范值為10 KN；4煤倉外部吊掛的搗鼓機的重力荷載規(guī)范值為70KN/臺；5電動葫蘆的重力荷載規(guī)范值為5 KN/臺；6皮帶牽引機的重力荷載規(guī)范值為28 KN/臺；7鋼板的恒荷載規(guī)范值為78.5 KN/。2.1.2可變荷載1樓面平臺活荷載規(guī)范值：2.0 KN/；2屋面活荷載規(guī)范值：0.5 KN/；4雪荷載規(guī)范值為：0.25KN/；5風(fēng)荷載規(guī)范值為：0.5KN/；6儲煤活載：根據(jù)GB50077-2003計算儲煤對倉壁的作用。2.1.3自然條件1根本風(fēng)壓：0.50KN/，地面粗糙度：C類；2根本風(fēng)壓：0

5、.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)計院根本地震加速度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)計鋼構(gòu)造銜接節(jié)點設(shè)計是鋼構(gòu)造整個設(shè)計任務(wù)中的重要環(huán)節(jié)，銜接節(jié)點設(shè)計能否平安，對保證鋼構(gòu)造的整體性和可靠度、對制造安裝的質(zhì)量和進度以及整個建立周期和本錢都有著直接的影響。銜接節(jié)點的設(shè)計不僅要遵照簡捷、可靠、便于施工的原那么，而且還要思索到施工程度。該工程設(shè)計為安裝螺栓加焊接的節(jié)點銜接方式。梁柱節(jié)點可分為柱貫穿式和梁貫穿式，思索到本工程屬高層工業(yè)建筑，所以采用柱貫穿式梁柱節(jié)點。在框架底部標高11.657m

6、思索到構(gòu)造整體性，采用梁貫穿的方式，構(gòu)造平面圖如圖2所示。在頂層，由于沒有煤的荷載，只需屋面恒載和活載，思索經(jīng)濟效益，采用門式剛架的結(jié)果方式。在設(shè)計中遵照“簡單構(gòu)件，復(fù)雜節(jié)點的理念，盡量防止直接采用的曲線構(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，但直接制造弧形焊接H型鋼加工難度大，故采用分段直線構(gòu)件，可以大大降低價錢難度，有效減少加工本錢表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銜接方式：在兩側(cè)直壁采用支撐不斷，骨架梁斷的方式。這樣做的主要緣由是：前者構(gòu)造的整體穩(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

7、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，骨架梁位置上升；還有一點緣由就是便于在施工時更好的構(gòu)成弧面。最后再加上弧形柱間支撐那么又起到了加強弧面承載力和提高構(gòu)造整體剛度的作用。為了在銜接節(jié)點處保證其原有的完好延續(xù)性，節(jié)點銜接方法采用剛性銜接。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，當不滿足要求時予以加強。由于該構(gòu)造荷載復(fù)雜，尤其是在運用過程中，構(gòu)造要遭到動載荷的作用，故構(gòu)件內(nèi)力大，板件較厚，因此在設(shè)計中還應(yīng)留意銜接節(jié)點的合理構(gòu)造，防止采用易于產(chǎn)生過大約束應(yīng)力和層狀撕裂的銜接方式和銜接方法，使構(gòu)造具有良好的延性，而且便于加工

8、制造和安裝。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構(gòu)造乃至整個構(gòu)造的影響是不言而喻的，應(yīng)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)果進展校核，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)生的剩余應(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所示。根據(jù)各節(jié)點在構(gòu)造體系中的受力形狀，節(jié)點1節(jié)點3的受力和約束

9、形狀如圖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，詳細數(shù)值如表3所示。資料選用Q345鋼，計算模型選雙線性彈塑性資料模型，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)果和分析經(jīng)過ANSYS軟件對各種節(jié)點進展分析計算，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)，分析主要緣由是在這些地方桿件集中，截面突變變大，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中所致。 經(jīng)過節(jié)點的變性

10、圖可以看到，節(jié)點域的總體變形較小，抵抗變形的才干較好。節(jié)點1相對于另兩個節(jié)點變形較大，主要緣由是此節(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的右支撐由于還充任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。 經(jīng)過表4可知，節(jié)點1的最大Von Mises應(yīng)力為468MPa，超越了鋼材的強度設(shè)計值，實際上鋼材曾經(jīng)破壞，但是對于這種部分超越強度的設(shè)計值的情況，假設(shè)應(yīng)力峰值范圍很小，且應(yīng)力峰值超越強度設(shè)計值不大，可以將分布范圍較大的最大應(yīng)力值作為判別根據(jù)。這是由于在進

11、展有限元分析時，很難充分思索焊縫幾何尺寸、焊接剩余應(yīng)力、資料的塑性內(nèi)力重分布等要素的影響，因此應(yīng)遵照“平均應(yīng)力的控制原那么，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，可以以為此處節(jié)點是滿足承載力要求的。結(jié)論1對復(fù)雜鋼構(gòu)造體系，因節(jié)點域構(gòu)造復(fù)雜，其應(yīng)力分布需進展補充計算，并應(yīng)根據(jù)有限元分析結(jié)果進展承載力驗算。2有限元分析結(jié)果闡明，節(jié)點域某些地方會進入塑性，假設(shè)塑性區(qū)域較小應(yīng)按所計算部位的“平均應(yīng)力進展承載力的驗算，而假設(shè)塑性區(qū)過大那么應(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)生部分鼓曲，符合總體構(gòu)造剛性節(jié)點的假定，可以保證構(gòu)造平安運用。參考文獻1 GB50017-2003 鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范S。 2 GB50077-2003 鋼筋混凝土筒