王勇,李謹

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

板筋結構強度計算及最優(yōu)化設計

Strength calculation and design optimization of sheet-beam structure

王勇1,李謹2

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

板筋結構是除塵器的重要結構形式,其結構的強度與除塵器的安全性有著密切的關系。介紹了板筋結構在除塵器應用中的荷載、強度計算方法,并利用VB軟件進行板筋結構最優(yōu)化設計。

板筋結構;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,煙氣治理技術的應用越來越廣泛,除塵設備用戶和制造廠家對其安全性和經濟性方面的關注度也逐漸提高。目前,國內許多廠家在除塵器本體結構設計上多采用類比法,即參考以往的實例來進行等效代換,這往往會造成材料的浪費或存在一定的安全隱患。因此,按照力學理論確定除塵器各構件的規(guī)格,在保證各部件設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,其主體結構都是鋼結構。該結構是由立柱,頂梁,頂板,墻板,灰斗及煙道等組成的封閉式箱體結構,經力學模型可以簡化為相應的板筋結構。因此,板筋結構的強度計算方法對除塵器設計具有重要的意義。

1 板筋結構強度計算方法

除塵器上的板筋結構是指在薄鋼板上加筋(扁鋼、角鋼或槽鋼等)組成的墻板結構,主要承受負壓、灰壓、風壓及自重等。

板筋結構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)設計以保證安全,按正常使用極限狀態(tài)校核以保證構件的適用性。由于板筋結構的應用十分廣泛,為方便介紹,本文以除塵器殼體板為例進行結構強度計算。

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,所承受的風壓也應考慮在內。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《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)要求,鋼結構的設計應采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法,用分項系數(shù)的設計表達式進行計算。在進行板殼結構強度計算時,先按照承載能力極限狀態(tài)設計以保證安全,再按正常使用極限狀態(tài)進行校核以保證構件的適用性。

1.1.1 荷載的承載能力設計表達式

按承載能力極限狀態(tài)設計時,應考慮荷載效應的基本組合(可變荷載為主的組合或永久荷載為主的組合),用荷載設計值進行計算(不考慮地震),采用如下表達式:

式中:γ0為結構重要度系數(shù),一般鋼結構取其值為1.0;S為不考慮地震作用時,荷載效應組合設計值; R為結構構件承載能力設計值。

由于殼體的強度是受除塵器負壓控制,所以對于基本組合,荷載效應組合設計值按照可變荷載效應控制的組合進行計算:

1.1.2 極限狀態(tài)校核表達式

對于正常使用極限狀態(tài),一般考慮荷載的標準組合并按下列設計表達式進行驗算:

式中:S為荷載效應組合的設計值(撓度或位移);C為結構或構件達到正常使用要求的規(guī)定限值。

1.2 板筋結構承載能力極限狀態(tài)設計方法

1.2.1 鋼板

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

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 板筋結構正常使用極限狀態(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)中關于加強筋部分所提到的公式等只針對單跨結構,均布荷載的情況。其余形式可查閱《建筑結構靜力計算手冊》,將荷載代入相應的公式即可,此處不再贅述。

2 最優(yōu)化設計

上面的公式不僅復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軟件進行開發(fā),不僅計算速度快,而且能對板筋結構進行強度校核,采用窮舉法可對板筋結構進行優(yōu)化設計。為了增加程序的可擴展性,整個程序采用模塊化設計。

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;在結構及受力形式選擇界面選取構件結構,除塵器中絕大多數(shù)受力構件的結構及受力形式都可以找到。控制參數(shù)、荷載及計算結果界面主要包括三種類型的參數(shù):控制參數(shù)是判斷結構強度是否符合國家規(guī)范的判據(jù),有關荷載和結構尺寸的參數(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)范設定設計強度,再根據(jù)結構可靠性等要求設定穩(wěn)定系數(shù)及變形系數(shù)等,然后輸入負壓等荷載就能獲得最優(yōu)的型鋼規(guī)格。

3 結語

板筋結構是除塵器等以鋼結構為主體的設備的重要結構形式,其結構的強度及經濟性與除塵器等設備的安全性及性價比有著密切的關系。開發(fā)成功的板筋結構強度計算及最優(yōu)化程序經過一年的運行,證明其具有準確、高效、可靠等優(yōu)點,非常適合除塵器等鋼結構生產廠家使用。

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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、電袋復合除塵器的研發(fā)及設計工作。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