某大型钢框架煤塔复杂节点设计和分析

某大型钢框架煤塔复杂节点设计和分析李海旺廉建中摘要：利用有限元软件ANSYS，对某大型煤仓支承框架结构的复杂节点域进行计算分析，结构表面：对复杂钢结构体系，因节点域构造复杂，其应力分布需采用有限元法补充计算，并应根据有限元分析结果进行承载力验算；节点域某些地方会进入塑性，如果塑性区较小可按计算部位的“平均应力”进行承载力验算，如塑性区过大应增大截面或增设加劲肋使其满足承载力的要求；所设计的节点域变形很小，腹板没有发生局部鼓曲，符合总体结构刚性节点的假定。关键词：钢结构煤塔；筒仓；节点域；有限元分析1工程概况该煤塔位于某焦化厂有限公司新厂区，设计最大储煤量达1800t，结构总高35m，长25.3m,宽7.2m，是煤焦生产线的关键控制工程，煤塔结构立面图如图1所示。根据工艺和结构布置的要求，该煤塔下部支承于4根钢筋混凝土柱之上，每根柱子的截面为1500mm×1500mm；上层为钢结构框架-支撑体系，位于楼面标高11.657m（梁底标高）以上，并将其分为8层。煤塔两侧为直壁式，中间位弧形双肢的形式，表该19.960m处弧形的两肢合龙相交，煤塔纵向左端设有小斜坡，有段设有大斜坡，图1中粗线所表示的构件，在外围既是结构的支撑，又充当了大小斜坡的斜梁，大小斜坡与内部纵向弧形结构相贯；煤塔外壁及纵向弧形面上焊钢骨架铺设钢板，钢板上再铺石板以防煤粒对钢板的磨损和腐蚀，这样就形成在29.980m处给煤，在11.657m处卸煤的煤塔储煤区。2荷载和自然条件该钢结构的储煤区已经形成了一个狭长的异形筒仓，属于筒仓结构体系。但是实际工程中大多采用钢筋混凝土筒仓，国家也只是制定了GB50077-2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》，全钢材质应用较少。由于煤塔在运用过程中，不但要受到煤粒下卸的冲击荷载，还要受到两侧捣固机的振捣动载，恒载和活载都比较大，受力复杂，传力路径不清晰。上述诸多因素造成了结构设计的困难，所以在使用设计软件PKPM-STS进行设计时，对于一些参数的选取只能通过对比选用最不利情况进行。2.1荷载的选取2.1.1恒荷载1）1、2、7层非煤仓部分设有工作平台，采用梁格上铺设花纹钢板，恒载标准值为0.471KN/㎡；2）屋面采用轻型屋面体系，恒荷载标准值取为0.5KN/㎡；3）每个出料口下部吊挂一台给煤机，每台给煤机的恒荷载标准值为10KN；4）煤仓外部吊挂的捣鼓机的重力荷载标准值为70KN/台；5）电动葫芦的重力荷载标准值为5KN/台；6）皮带牵引机的重力荷载标准值为28KN/台；7）钢板的恒荷载标准值为78.5KN/㎡。2.1.2可变荷载1）楼面平台活荷载标准值：2.0KN/㎡；2）屋面活荷载标准值：0.5KN/㎡；4）雪荷载标准值为：0.25KN/㎡；5）风荷载标准值为：0.5KN/㎡；6）储煤活载：根据GB50077-2003计算储煤对仓壁的作用。2.1.3自然条件1）基本风压：0.50KN/㎡，地面粗糙度：C类；2）基本风压：0.25KN/㎡；3）抗震设防烈度为7度；设计地震分组为第一组；设计院基本地震加速度0.10g，g为重力加速度；4）抗震设防类别：丙类建筑；5）场地特征周期：Tg=0.35s；6）场地类别：Ⅱ类。2.2节点设计钢结构连接节点设计是钢结构整个设计工作中的重要环节，连接节点设计是否安全，对保证钢结构的整体性和可靠度、对制作安装的质量和进度以及整个建设周期和成本都有着直接的影响。连接节点的设计不仅要遵循简捷、可靠、便于施工的原则，而且还要考虑到施工水平。该工程设计为安装螺栓加焊接的节点连接方式。梁柱节点可分为柱贯通式和梁贯通式，考虑到本工程属高层工业建筑，所以采用柱贯通式梁柱节点。在框架底部（标高11.657m）考虑到结构整体性，采用梁贯通的形式，结构平面图如图2所示。在顶层，由于没有煤的荷载，只有屋面恒载和活载，考虑经济效益，采用门式刚架的结果形式。在设计中遵循“简单构件，复杂节点”的理念，尽量避免直接采用的曲线构件，将节点之间的杆件简化为直线构件或者分段直线构件。在弧线柱的设计中，由于工艺的要求，柱要求为弧形，但直接制作弧形焊接H型钢加工难度大，故采用分段直线构件，可以大大降低价格难度，有效减少加工成本（表1）。在焊接骨架时，在两侧直壁和弧形面上采用了与支撑不同的连接方式：在两侧直壁采用支撑不断，骨架梁断的形式。这样做的主要原因是：前者结构的整体稳定性是主因，煤粒对两侧直壁的侧压力相对次要；而后者由于弧形面的倾斜，煤粒对弧形面的压力相对是次要；而后者由于弧形面的倾斜，煤粒对弧形面的压力影响上升的主因，骨架梁地位上升；还有一点原因就是便于在施工时更好的形成弧面。最后再加上弧形柱间支撑则又起到了增强弧面承载力和提高结构整体刚度的作用。为了在连接节点处保证其原有的完整连续性，节点连接方法采用刚性连接。此外，钢框架的节点域应验算起抗剪强度、稳定性和屈服力，当不满足要求时予以加强。由于该结构荷载复杂，尤其是在使用过程中，结构要受到动载荷的作用，故构件内力大，板件较厚，因此在设计中还应注意连接节点的合理构造，避免采用易于产生过大约束应力和层状撕裂的连接形式和连接方法，使结构具有良好的延性，而且便于加工制作和安装。3节点域有限元分析3.1有限元分析要点框架体系底部梁柱节点的受力性能对于上部结构乃至整个结构的影响是不言而喻的，故选取了底层外围纵向3个有代表性的节点，节点1为底层边柱梁柱节点，节点2为底层中部普通节点，节点3为大斜坡起坡处的节点，运用ANSYS有限元分析软件，对其设计结果进行校核，节点所在位置如图1所示。在有限元分析过程中采用shell181壳单元模拟型钢翼缘、腹板以及加劲肋。假定梁柱完全刚接，忽略因焊接和施工产生的残余应力，初始几何缺陷和焊接缺陷对模型的影响，最终建立节点有限元模型，如图3所示。各节点计算简图如图4所示。根据各节点在结构体系中的受力状态，节点1～节点3的受力和约束状态如图4所示。图中构件截面规格如图2所示。杆端内力根据PKPM计算结果，选取不利组合的设计值，具体数值如表3所示。材料选用Q345钢，计算模型选双线性弹塑性材料模型，密度为7850㎏/m3，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，屈服强度为345MPa，切线模量为6.18GPa。3.2计算结果和分析通过ANSYS软件对各种节点进行分析计算，得到个节点域变形图和VonMises应力分布云图，如图5、图6所示。由各节点的应力图可发现，节点域的应力突变主要发生在梁与柱、支撑交接、加劲肋板处，属于节点的薄弱环节，分析主要原因是在这些地方杆件集中，截面突变变大，从而导致应力集中所致。通过节点的变性图可以看到，节点域的总体变形较小，抵抗变形的能力较好。节点1相对于另两个节点变形较大，主要原因是此节点是边柱节点，受横向、纵向弯矩作用的共同影响，受力复杂。节点2受力较小，应力和变形相应较小。节点3的右支撑由于还充当大斜披起坡处的斜梁，故此节点的变形和应力相对于节点2要大一些。各节点的最大平均位移和最大VonMises应力，如表3所示。通过表4可知，节点1的最大VonMises应力为468MPa，超过了钢材的强度设计值，理论上钢材已经破坏，但是对于这种局部超过强度的设计值的情况，如果应力峰值范围很小，且应力峰值超过强度设计值不大，可以将分布范围较大的最大应力值作为判断依据。这是由于在进行有限元分析时，很难充分考虑焊缝几何尺寸、焊接残余应力、材料的塑性内力重分布等因素的影响，因此应遵循“平均应力”的控制原则，而不是范围极小的应力峰值。由节点1的应力图可知，节点处应力在104～260MPa范围内的分布区域最广，可以认为此处节点是满足承载力要求的。4结论1）对复杂钢结构体系，因节点域构造复杂，其应力分布需进行补充计算，并应根据有限元分析结果进行承载力验算。2）有限元分析结果表明，节点域某些地方会进入塑性，如果塑性区域较小应按所计算部位的“平均应力”进行承载力的验算，而如果塑性区过大则应增大截面或增设加劲肋使其满足承载力的要求。3）经过计算可知，节点域的变形是很小，腹板没有发生局部鼓曲，符合总体结构刚性节点的假定，能够保证结构安全使用。参考文献[1]GB50017-2003钢结构设计规范[S]。[2]GB50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范[S]。[3]范重，彭翼，李鸣，等。国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究[J]。建筑结构学报，2007，28（2）：41-48.[4]范重，胡纯煬，彭翼，等。国建体育场桁架柱内柱节点设计研究[J]。建筑结构学报，2007，28（2）：59-65.[5]刘小波，苏洲。钢梁柱节点域受力性能影响因素的有限元分析[J]。山西建筑，2006，32（24）：74-75.