风管钢支架在水泥厂结构中的设计分析

我国工业生产占国民经济发展中的重要地位，为人民日常生活提供物质保障。现阶段，国家工业发展水平与国民经济、国家地位、综合国际、科技领域等方面具有举足轻重的作用。工业发展与基础原材料的生产息息相关，水泥厂建设作为工业生产的一个重要环节，水泥厂风管作为传输介质的重要媒介，风管的设计能力是水泥厂生产能力的关键因素。目前，随着水泥厂生产能力的提高，风管直径逐渐增大，对风管支撑钢架的要求也越来越高。现阶段，我国风管刚支架计算模型和计算方法尚没有成熟的体系，在水泥厂实际运行过程中，风管受力情况也受多种因素影响而发生变化，计算较为复杂。在设计工作中，需结合风管对支架的作用以及支架所受荷载作用的变化，分析选择受力模型，并选定主要影响因素对模型进行简化处理进行计算。

1 管道支架分类及钢支架荷载计算

1.1 管道支架分类

按照风管安装工程的不同，可将水泥厂锅炉至沉降室之间的风管支撑分为固定支架和活动支架两种类型。下面分别对两种支架的特征进行分析:

(1)固定支架。固定支架结构如图1所示。锅炉和沉降室之间的热风管道由膨胀节断开，支座与管道中部位置焊接，支架所受压力主要为自身重力、管道重力和支撑点与管道不对称所产生的不平衡力矩。

图1 固定支架结构

图2 活动支架结构

(2)活动支架。活动支架结构如图2所示。热风管道与锅炉和沉降室连接处与固定支座类似，通过膨胀节断开，支座和管道支撑点焊接而成，但支座和支撑钢架是可以活动的，支架需承受风管重力和活动产生的摩擦力影响。

2 钢支架顶的荷载计算

计算钢支架荷载量，首先构建钢支架计算模型，将支架与管道连接处的荷载视为点荷载，输入计算模型中，点荷载取值主要参考支架顶部所受竖向力和弯矩的作用，尤其支架本身截面小，所受到的风荷载作用可忽略不计。支架所受荷载作用主要为恒活荷载，即上部的风管的自重，其作用可视为节点荷载，若上部风管直接较大，还需考虑设备所受风荷载的影响，将风荷载对支架的作用，视为节点荷载，其作用点主要集中于柱顶，迎风面风荷载计算公式如下:

式中:us—风荷载体型系数;ux—风压高度系数，具体数值参照建筑结构荷载规范内容;Wo—基本风压;βz—高度为Z处的风振系数。

3 支架建模与计算

3.1 支架二维模型构建

(1)模型计算前，需对输入数据进行处理，常用处理方法包括以下几种:①活动支架的受力主要来自竖向力的作用，支架上部设备自重以及杆件产生的弯矩作用，一般选取工字钢或槽钢作为支架结构，按柱输入;②腹杆受力情况通常表现为轴心受力，可选择角钢或者角钢组合作为支架结构，杆件采用两端铰接的方式;③在检验模型设计时，选用《钢结构设计规范》作为检验规范，具体方式为:支架采用四柱支撑时，榀支架间为垂直和水平支撑，可采用对两榀建模进行建设，支柱长度以无侧移情况发生为准，进行计算;当支架采用两柱支撑时，柱长度需以发生侧移进行计算。

(2)计算前需使用系统对支架进行优化，随后点击“结构计算”，计算机可对杆件内力、杆件强度、稳定性和变形量进行系统分析验算。在对杆件进行验算时，应注意:①检查系统分析的节点位移图、弯矩图和轴力图是否与实际情况相符合，如出现分析错误，需对输入模型系统中的数据准确性进行检查，查找异常发生的原因。②模型计算得出的应力图能够直观反映出杆件的强度和稳定度是否符合设计要求。③系统中的超限信息文本内容，能够帮助使用者快速查出不符合设计要求的项目，然后针对具体项目查看其详细信息，并寻求解决方法。④需要查看风载作用节点位移变化情况，检查风荷载产生的位移是否符合设计规范要求。

3.2 支架三维模型构建

首先需建立支架结构整体模型，使用SATWE、TAT软件对模型进行三维数据分析计算，将计算结果进行节点设计，主要方法如下:(1)在系统中输入模型，将CAD或PM钢结构框架模型直接导入系统中;(2)利用PMSAP对模型整体和各构件进行分析计算;(3)对型钢截面进行优化处理，计算并挡风系数。

4 施工图设计及相关问题处理

4.1 支架施工图设计

采用二维计算模型时可采用支架施工图直接输入系统进行分析处理，二维系统能够将角钢、工字钢组成的立柱，双角钢、单槽钢和双槽钢等结构所组成的腹杆结构图进行自动绘制，程序能够自动计算出支架焊缝、节点、填板和材料等类型和要求，自动绘制施工图。支架所用材料中工字钢可分为焊接工字钢、热轧普通工字钢和H型钢三种形式，腹杆的连接方式也包括多种，系统可以按照输入条件进行删选。但空间结构计算时不能自动绘制出施工图，需要设计人员结合二维结果，绘制施工图。

4.2 相关问题处理

(1)对模型计算结果进行分析可知，主受力件三维计算结果大于二维计算，可能由于支架自身风荷载偏大。利用PKPM程序进行计算，程序将支架侧面默认为封墙，与实际情况不符，增大了风荷载的作用影响，因此计算数值偏大，导致杆件选型也偏大;(2)支架是主要受力结构，主要承受轴向力作用，支架系统内立柱为主要承重构件，各立柱间荷载较小，可根据结构要求，选取经济合理的设计方案;(3)风管设计时，分管支座落在钢支架顶端，风管荷载作用能够均匀传给连接处的钢板，因此，提高连接处钢板刚度，可以有效缓解支点位置在风管上不对称引起的弯矩作用。建模过程中，可将风管荷载视为点作用力加在梁顶;(4)利用模型对支架分析结果可知，支架层高与总高度最佳比值在1/5-1/6之间，斜杆与竖向立柱间的夹角宜取45度;(5)根据上述模型计算结果，编制钢支架计算说明书。

5 结语

综上所述，本文主要得出以下结论:(1)水泥厂生产中支撑风管的钢支架在熟料加工和余热发电项目中使用非常广泛。本文利用PKPM软件对水泥厂风管支撑结构构建计算模型，并结合设计规范要求，进行杆件选型和数值计算;(2)在模型构建和计算过程中，应注意各构件间的相互影响，保障模型计算的准确性;(3)在传统风管支架设计方法的基础上，结合专业模型计算，优化和创新管道支架设计方法。