板筋结构强度计算及最优化设计

王勇,李谨

(1.浙江菲达环保科技股份有限公司,浙江诸暨 311800;2.国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

板筋结构强度计算及最优化设计

Strength calculation and design optimization of sheet-beam structure

王勇1,李谨2

(1.浙江菲达环保科技股份有限公司,浙江诸暨 311800;2.国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

板筋结构是除尘器的重要结构形式,其结构的强度与除尘器的安全性有着密切的关系。介绍了板筋结构在除尘器应用中的荷载、强度计算方法,并利用VB软件进行板筋结构最优化设计。

板筋结构;强度计算;最优化

随着国家对大气污染问题重视程度的提高,烟气治理技术的应用越来越广泛,除尘设备用户和制造厂家对其安全性和经济性方面的关注度也逐渐提高。目前,国内许多厂家在除尘器本体结构设计上多采用类比法,即参考以往的实例来进行等效代换,这往往会造成材料的浪费或存在一定的安全隐患。因此,按照力学理论确定除尘器各构件的规格,在保证各部件设计安全的前提下最大程度的节省材料有着非常重要的工程和实践意义。

无论静电除尘器还是布袋除尘器,其主体结构都是钢结构。该结构是由立柱,顶梁,顶板,墙板,灰斗及烟道等组成的封闭式箱体结构,经力学模型可以简化为相应的板筋结构。因此,板筋结构的强度计算方法对除尘器设计具有重要的意义。

1 板筋结构强度计算方法

除尘器上的板筋结构是指在薄钢板上加筋(扁钢、角钢或槽钢等)组成的墙板结构,主要承受负压、灰压、风压及自重等。

板筋结构强度计算包括钢板和加强筋两部分,分别按照承载能力极限状态设计以保证安全,按正常使用极限状态校核以保证构件的适用性。由于板筋结构的应用十分广泛,为方便介绍,本文以除尘器壳体板为例进行结构强度计算。

1.1 荷载计算方法

板壳的强度计算需考虑其所承受的各种荷载,主要包括除尘器运行时的负压,壳体的自重及保温岩棉的重量等。除尘器多安置在室外,所承受的风压也应考虑在内。此外,除尘器工作温度通常在200℃左右,而在高温下钢材的强度会明显下降,因此,还要考虑温度对壳体强度的影响。

按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)要求,钢结构的设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计法,用分项系数的设计表达式进行计算。在进行板壳结构强度计算时,先按照承载能力极限状态设计以保证安全,再按正常使用极限状态进行校核以保证构件的适用性。

1.1.1 荷载的承载能力设计表达式

按承载能力极限状态设计时,应考虑荷载效应的基本组合(可变荷载为主的组合或永久荷载为主的组合),用荷载设计值进行计算(不考虑地震),采用如下表达式:

式中:γ0为结构重要度系数,一般钢结构取其值为1.0;S为不考虑地震作用时,荷载效应组合设计值; R为结构构件承载能力设计值。

由于壳体的强度是受除尘器负压控制,所以对于基本组合,荷载效应组合设计值按照可变荷载效应控制的组合进行计算:

1.1.2 极限状态校核表达式

对于正常使用极限状态,一般考虑荷载的标准组合并按下列设计表达式进行验算:

式中:S为荷载效应组合的设计值(挠度或位移);C为结构或构件达到正常使用要求的规定限值。

1.2 板筋结构承载能力极限状态设计方法

1.2.1 钢板

取钢板上单位宽度为计算单元,假设该单元上的荷载由上下相邻的两加强筋承担,按照简支梁均布载荷进行计算。

板单元的最大弯矩为:

式中:L为两加强筋的间距。板的最大弯应力:

式中:W是板单元的抗弯截面系数;[σ]为型钢的许用强度。

1.2.2 加强筋

以宽为30δ(δ为钢板的厚度)钢板和型钢组合的断面为计算断面。

筋的强度按下式计算:

式中:MmaxI为筋上的最大弯矩;JI为筋的惯性矩, cm4;y为计算断面最边点与惯性轴的距离。

1.3 板筋结构正常使用极限状态校核方法

1.3.1 钢板

钢板的最大变形量ymax按照下式计算

式中:L是跨距;E是钢材的弹性模量;J是钢板的惯性矩;其余变量同上。

2.3.2 加强筋

本例中加强筋为单跨,可以等效为简支梁,则加强筋的最大变形按照下式计算:

本节中关于加强筋部分所提到的公式等只针对单跨结构,均布荷载的情况。其余形式可查阅《建筑结构静力计算手册》,将荷载代入相应的公式即可,此处不再赘述。

2 最优化设计

上面的公式不仅复杂而且要去工程手册中查阅大量的参数,计算起来十分繁琐。因此,将强度计算的算法用计算机VB软件进行开发,不仅计算速度快,而且能对板筋结构进行强度校核,采用穷举法可对板筋结构进行优化设计。为了增加程序的可扩展性,整个程序采用模块化设计。

VB软件操作步骤:在型钢类型选择界面选择需要采用的型钢类型;在结构及受力形式选择界面选取构件结构,除尘器中绝大多数受力构件的结构及受力形式都可以找到。控制参数、荷载及计算结果界面主要包括三种类型的参数:控制参数是判断结构强度是否符合国家规范的判据,有关荷载和结构尺寸的参数需用户在每次计算时输入。根据选用型钢的材料先按照国家规范设定设计强度,再根据结构可靠性等要求设定稳定系数及变形系数等,然后输入负压等荷载就能获得最优的型钢规格。

3 结语

板筋结构是除尘器等以钢结构为主体的设备的重要结构形式,其结构的强度及经济性与除尘器等设备的安全性及性价比有着密切的关系。开发成功的板筋结构强度计算及最优化程序经过一年的运行,证明其具有准确、高效、可靠等优点,非常适合除尘器等钢结构生产厂家使用。

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X701.2

B

1674-8069(2010)05-043-02

2010-06-17;

2010-08-10

王勇(1980-),男,山西平遥人,硕士,工程师,主要从事布袋除尘器、电袋复合除尘器的研发及设计工作。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