冷却塔环梁施工桁架结构有限元分析

2014-09-11 02:04胡婷田永祥朱远江闫玉萍李伟
综合智慧能源 2014年12期
关键词:环梁腹杆冷却塔

胡婷,田永祥,朱远江,闫玉萍,李伟

(1.郑州科润机电工程有限公司,郑州 450015; 2.东北电业管理局烟塔工程公司,辽宁 锦州 121000)

1 冷却塔环梁施工桁架结构概况

冷却塔是火力发电厂、核电站循环水的冷却设备,多为自然通风双曲线型钢筋混凝土现浇结构。环梁是冷却塔结构受力的关键部位之一,传承着整个筒壁的载荷和稳定,其施工作业多为流水交叉作业,属于高处作业,在此处施工,施工机械机具投放量大,工艺质量要求高,此处是施工中的难点和重点。附着式支撑桁架作为环梁混凝土施工的支撑体系,它是环梁的一种施工方式。附着式支撑桁架固定在人字柱的上端,每组人字柱上有一榀,每榀桁架是由呈矩形布置的4根横梁及连接4根横梁的多根直拉杆和斜拉杆及内腹杆构成,每榀桁架的两侧分别连接多个三角架系统,相邻两榀桁架之间分别通过连接板连接以构成1圈桁架,沿圆周均布在冷却塔环梁底部,冷却塔附着式支撑桁架如图1所示。

图1 冷却塔附着式支撑桁架

由于施工桁架结构复杂,超静定次数高,所受荷载种类繁多,手算过程比较繁琐,若计算过度简化会导致计算结果出现较大的偏差,因此,本文采用有限元软件对桁架主结构进行了强度分析计算,根据其计算结果对桁架进行优化,并向施工单位提出合理化建议。

2 荷载分解计算

冷却塔环梁在施工过程中的荷载及作用方向见表1,其作用位置及方向如图2所示(图中,G为重力)。

图2 桁架荷载作用位置示意图

表1 桁架结构的荷载

依据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》和《建筑施工手册》第4版的规定:“冷却塔环梁结构为临时性设置,不考虑风载荷”。

荷载的组合:振捣产生的水平荷载与倾倒混凝土时产生的水平荷载不同时出现,只取其一与施工活荷载组合成标准值。经过计算,振捣混凝土与倾倒混凝土产生的荷载相同,因此,任取其一。

由于作用于桁架的荷载比较多,因此,有必要对其荷载进行分解(如图2所示),施加在桁架和三角架系统上荷载分解具体计算过程如下。

(1)Fs=①+②+③。将这些荷载分解到沿桁架上平面垂直向下的载荷Fsy和平行桁架上平面的荷载Fsz。将Fsy平均分解到桁架上平面的2个横梁上,将Fsz平均分解到内侧模板的上、下两端。

(2)Fj=④+⑤。将这些荷载转化为集中力,分别施加到内外侧的三角架水平杆的中点上。

(3)Fd=⑥。将此荷载分解到底面模板的左右两端,其载荷为Fd/2,此时该荷载将作用在垂直于桁架上平面的2根横梁上。

通过以上计算,可得出作用于垂直内侧模板上端的总荷载Fz,如图3所示。将Fz转化为斜撑力F和垂直于桁架上平面内侧横梁向上的荷载F12,此时3个荷载组成一个封闭的三角形,由此计算可得

F=Fz/cosα,F12=Fz/tan(90°-α) 。

图3 桁架荷载计算示意图

综上所述,最终作用在桁架和三角架系统上的荷载施加位置、方向如图4所示。

图4 桁架荷载施加几何示意图

3 施工桁架结构有限元分析

3.1 计算模型

桁架有限元模型原点位于桁架下平面中间直杆的中点,z轴正向为平行于下平面指向外侧横梁,y轴正向垂直于下平面向上,由右手坐标系确定x轴正向。

3.1.1 计算模型的取值范围

在建立计算模型时,可考虑其中一榀桁架,以各个型钢的形心轴线建立模型。桁架和三角架所有杆件均采用BEAM188单元,网格单元长度为100 mm,模型计算网格如图5所示。

图5 整体有限元网格模型

3.1.2 边界条件

上下横梁左侧与人字柱接触点处的x,y,z向;上下横梁右侧与人字柱接触点处的y,z向;上下横梁两端处对称约束;内外侧三角架的两端处对称约束。

3.1.3 荷载施加

桁架模型荷载施加示意图如图6所示。

图6 模型荷载加载示意图

3.2 计算成果分析

计算结果如图7~图9所示,在图7~图9中,应力单位均为MPa,轴应力拉为正,压为负。

图7 整体复合应力分布

图8 上平面复合应力分布

图9 整体轴向应力分布

根据GB 50017—2013《钢结构设计规范》的规定,由于钢材采用Q235钢,且厚度小于16 mm,因此,其钢材应力设计值σ=215 MPa。

由图8可以看出应力结果,较大应力值为275 MPa,位于上平面靠近两人字柱侧的腹杆上,此处是桁架约束的地方,从整体上看,有限元模型与模拟是合理的。

经过进一步分析可知,出现较大应力值是由于腹杆杆端之间拉开距离所致,从而增加了附加弯曲应力,因此为了降低此处应力值,调整桁架上平面人字柱附近腹杆,使杆件中心线交于一点并调整腹杆规格,计算结果如下。

3.3 优化后计算成果分析

在图10~图12中,应力单位为MPa。从图10~图12可以看出,经过优化后,桁架结构整体受力状况得到了改善,应力最大值有所降低。其中应力最大值转移到内侧横梁上,从图12中可以看出,最大值只是比较小的范围,是应力集中的表现,其他部分应力分布比较均匀,符合规范要求,说明优化方案较为合理。

图10 整体复合应力分布

图11 上平面复合应力分布

4 结论

(1)在实际工程施工中,应尽量减小各腹杆与主梁相交处杆端之间的距离,使其中心线尽量交于一点,以减小杆端弯矩,降低应力水平。

(2)由于桁架主梁与人字柱接触处的上下翼缘应力较大,应加强与人字柱接触处的桁架主梁。

(3)应尽量保证桁架内外平面与人字柱接触处有直腹杆,以确保均衡传力。

(4)倾倒混凝土和振捣混凝土不能同时进行,在实际施工中应严格控制。

(5)有限元分析可直观地给出各杆件的受力状态,有效地避免了结构受力的不利因素而产生应力集中,确保了结构杆件安全。环梁施工桁架的优化方案已经用于实际施工中,在使用过程中,桁架受力状态良好,安全可靠。

参考文献:

[1]JGJ 162—2008 建筑施工模板安全技术规范[S].

[2]建筑施工手册编委会. 建筑施工手册 [M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].

[4]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程:机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.

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[6]杨学军,赖喜德.一种循环水冷却塔系统余压余能利用的方法[J].华电技术,2009,31(12):69-70.

[7]曹伟,王玉怀,车富生,等.冷却塔冷却效率低的原因分析及处理[J].华电技术,2009,31(9):65-66.

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