方箱式加熱爐輻射段壁板抗側(cè)剛度計(jì)算及簡化公式的推導(dǎo)
方箱式加熱爐輻射段壁板抗側(cè)剛度計(jì)算及簡化公式的推導(dǎo)
摘 要 近年來，隨著三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的普及，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了更為簡單、更為直觀的檢測方法。但是對于帶有壁板的加熱爐輻射段框架來講，由于壁板在模型中的使用，導(dǎo)致部分設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)不能很好的與實(shí)際情況相對應(yīng)。本文章利用了鋼板剪力墻抗側(cè)剛度理論公式，STAAD-PRO軟件鋼板抗側(cè)剛度和有限元軟件計(jì)算的抗側(cè)剛度進(jìn)行比較，從而對抗側(cè)剛度理論公式進(jìn)行修正，得到較為認(rèn)同的鋼板彈性抗側(cè)理論公式，并對其抗側(cè)理論公式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)替代和簡化。這樣以來，可以利用STAAD-PRO強(qiáng)大的桿系模型分析來模擬和檢驗(yàn)加熱爐輻射段壁板的強(qiáng)度問題。因此在工程設(shè)計(jì)中可以大大簡化力學(xué)模型，給設(shè)計(jì)者提供更為直觀有效的檢驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞 加熱爐；壁板；抗側(cè)剛度；簡化公式
隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對石油制品的需求逐日擴(kuò)大，從而導(dǎo)致了煉油廠的產(chǎn)能也不斷的增加。煉油廠裝置內(nèi)的加熱爐負(fù)荷也隨之不斷地增加，也造成了加熱爐占地面積和高度不斷地增加。為了保證加熱爐安全操作，加熱爐鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也隨之成為加熱爐設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。
但是目前我們專業(yè)所使用主要的計(jì)算軟件為STAAD-PRO，許多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模時(shí)，經(jīng)常采用將板單元指定到梁柱連接的節(jié)點(diǎn)上而并不將板單元進(jìn)行有效的網(wǎng)格劃分，致使加熱爐頂部側(cè)移量比實(shí)際情況小了很多并且板單元內(nèi)部應(yīng)力的分布與數(shù)值均與實(shí)際情況差距很大，同時(shí)在SSDD檢驗(yàn)當(dāng)中，板單元也沒有直接的去被校核和判定。由此造成了加熱爐抗側(cè)剛度與實(shí)際值差距很大，甚至有些時(shí)候超出了規(guī)范所規(guī)定的限值。為此急需要根據(jù)板單元在結(jié)構(gòu)中所起的作用將其簡化成可以利用STAAD-PRO進(jìn)行判定的，有效的桿系模型。
1 壁板抗側(cè)剛度理論公式與軟件計(jì)算結(jié)果比較
方箱式加熱爐輻射段一般在設(shè)計(jì)時(shí)，假設(shè)所有平行于壁板的水平荷載均由輻射段壁板承擔(dān)，所以該鋼板宜假設(shè)為平面應(yīng)力單元板，而不承擔(dān)豎向荷載，且垂直于鋼板平面的外部荷載應(yīng)通過壁板上的加強(qiáng)筋直接傳遞給壁板周圍的橫梁和立柱，鋼板在其平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形和剪切變形。
注：一般情況下橫梁與立柱均為H型鋼，壁板加強(qiáng)筋為槽鋼或者角鋼；壁板厚度為5mm或者7mm，以下規(guī)格采用壁板厚度均為5mm，且全部假定為平面應(yīng)力板。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制下列圖表
在傳統(tǒng)的加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下，由橫梁與立柱圍成的壁板的高寬比介于1.2～2之間，只需要在理論公式中添加一個(gè)置信系數(shù)來調(diào)整板的抗側(cè)剛度，以便于模型更好的貼近現(xiàn)實(shí)情況。
2 彈性簡化計(jì)算模型
雖然從上述情況可以得到壁板的抗側(cè)剛度，但是仍然無法滿足模型簡化的要求，由于板所起到的作用類似于桁架的作用，而且從板內(nèi)部應(yīng)力分布情況來看，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)斜角線上。由此可知，在忽略鋼梁框架在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下，將上圖的模型簡化成下圖的所示“兩斜桿和兩豎桿”的計(jì)算模型，且它們與橫梁之間的連接均為鉸接。
根據(jù)簡化計(jì)算模型，可得如下平衡方程組：
位移方程：
由此可以看出，在方箱加熱爐輻射段建模式，可以根據(jù)規(guī)劃圖將板單元直接簡化成斜撐，這樣將復(fù)雜的問題進(jìn)行了簡化，可以放在桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算較為方便的軟件（例如：STAAD-PRO軟件）進(jìn)行計(jì)算。但是在建模時(shí)應(yīng)將這些斜撐指定成二力桿，并且在規(guī)范檢驗(yàn)時(shí)，不應(yīng)考慮這些二力桿的平面內(nèi)穩(wěn)定和平面外穩(wěn)定問題，只考慮其強(qiáng)度問題。
3實(shí)例檢驗(yàn)
利用STAAD-PRO建模對比，采用壁板結(jié)構(gòu)并且進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，頂部最大位移為1.553mm，且板單元最大米塞斯應(yīng)力為7.3MPa；采用簡化的斜撐，頂部最大位移為2.133mm，且斜撐內(nèi)部最大應(yīng)力為6.8MPa。
分析：頂部位移相差近0.6mm，主要是因?yàn)楹喕^程中將板單元受力最為集中的受力的斜角線簡化成了斜撐，而對于其他地方的板所產(chǎn)生的抗側(cè)效應(yīng)并沒有記入到斜撐中，所以簡化的斜撐的側(cè)向位移會(huì)有所增加。
4結(jié)論
STAAD-PRO在建模時(shí)，如果不將板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，那么該軟件計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度將比實(shí)際情況大很多，使得結(jié)構(gòu)處于一種不安全的假設(shè)中；如果將網(wǎng)格劃分，雖然板的作用可以得到好的模擬，然而該軟件無法對板單元進(jìn)行校核，只能人為判斷，但是通過模型的簡化可以得到更為直觀的結(jié)果，為廣大的加熱爐設(shè)計(jì)人員提供解決板單元主要受力問題的一種途徑。
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