除尘设备中的板筋结构的计算方法总结

除尘设备中的板筋结构计算方法总结李宝熺福建龙净环保股份有限公司 2007年 6月除尘设备中的板筋结构计算方法总结摘 要 本文主要针对除尘设备中的板筋结构计算方法作了展示，采用有限元模型分析其方法的合理性，为计算类似结构提供有益的经验。关键词 除尘设备 板筋结构 稳定性 有限元 1 概述保护环境是人类生存的必要。随着环境污染的日益严重，烟气治理技术的应用已越来越受到人们的重视。除尘器设备在各工业领域含烟气治理中得到了广泛的应用。目前对除尘器本体结构的设计并无规范的设计理论，在生产制造时，只是通过类比法进行设计，其各构件截面尺寸等的确定具有较大的保守性和盲目性，从而造成了材料的很大浪费，再加上现有市场竞争日益白热化，降低成本，有着非常重要的工程和实际意义，这里就关系到了结构计算，如何正确的反映设备实际受力情况，才能在保证设计的安全运行前提下达到经济设计的目的，才是降低成本的根本原则。除尘器设备主体结构是钢结构，是由立柱、顶梁、顶板、墙板、灰斗、喇叭组成封闭式的箱体的复杂结构，除尘器设备主体结构横截面尺寸约为25401015 ，如果再加上 6 的灰斗高m度，整个除尘器高度均在 35 以上，对于这样庞大的钢结构主体，不仅需要考虑自重、负压、烟尘荷载、风荷载，地震荷载作用下的静、动力分析，同时，还须考虑结构的稳定性。本文仅针对除尘设备中常见的板筋结构在负压受力下的弹性计算方法作了总结。2 板筋结构计算板筋结构是指在薄钢板上加筋（板条、角钢或槽钢等）组成的墙板结构，主要承受负压、灰压、风压等荷载。2.1 板的计算方法板根据其厚度分为厚板、薄板和薄膜三种。设板的最小宽度为 ，厚度为 。当bt1/51/8 时称为厚板，这时横向剪力/tb引起的剪切变形与弯曲变形大小同阶，分析时不能忽略剪切变形的影响。当 1/80 1/100 1/51/8 时称为薄板，此时横向/t剪力引起的剪切变形与弯曲变形相比可以忽略不计。当板极薄， 1/801/100 时，/tb称为薄膜，薄膜没有抗弯刚度，靠薄膜拉力与横向荷载平衡。除尘设备中的板是最小宽度为 800 ，厚度为m5 ， =1/160，应称为薄膜。对于薄/tb膜的受力太理想化，本章只介绍等厚度薄板中面内受力的板的弹性计算方法。由除尘设备中的板的特点，假设如下：1）按单向板计算，并以简支的连续板考虑。2）板在支座外连接牢固，且有可靠保证在板中拉力作用下支座不能产生侧移，计算时按单向的拉弯构件来计算薄板。例：取其中板区，长边 =4000 ,am短边 =1000 ,板厚 =5 ,垂直板面bmt的设计负压 =8000 ,其标准负压取qp=6000 ，现计算该板的强度与挠度。ka1）按单向的拉弯板计算方法跨中弯矩 01Mk强度 HfAW挠度 01wk式中 -不考虑板中拉力按简支板计0算的跨中最大弯矩 ， 取 0.1；20Mqa-不考虑板中拉力按简支板计算的跨0w中最大挠度，当为均布荷载时可取为 ；40316.kqaEt、 -分别为单位宽度板的截面积及AM抵抗矩；-板中拉力H13Ika-板单位宽度上均布荷载的标准值；kq-板面风度中的折算弹性模量：1E（ 为泊松比，取 0.3） ；2-v-系数，由方程 求k220(1)3(wkt得2）计算结果如下表 1：表 1 不同情况板的应力值与挠度值表假定情况 2(/)Nm()w四边简支 237.12 32.621 简支连续板 192 25.631 按拉弯构件 125.392 5.501 结果表明:不同的假定，其计算结果差异较大，对于现有除尘设备中的板筋结构应该是按拉弯构件计算结果最为接近，即：板的强度 =125.392 ；板的挠度 2/Nm=5.501 。w上面计算结果还只是弹性计算结果，当板进入失稳状态时，板的一个方向有外力作用而凸曲时，在另一个方向的板拉力会对它产生支持作用，增强板的抗弯刚度进而提高板的强度，这种凸曲后的强度提高称为屈曲后强度，可见该板考虑屈曲后强度应该还可承受更大的荷载。后面会用有限元分析证明。2.2 板上的筋计算方法板上的筋形式有板条、角钢、槽钢、工字钢等，筋与板有可靠的连接，筋与板共同承受外力作用。因此在计算板上筋时要做如下三个简化：荷载的简化、截面的简化、约束的简化。只有合理的处理好以上三个简化才能准确计算出筋的真实承受能力。这里通过有限元分析两种情况推算三个简化。2.2.1 板与筋共同作用情况分析同上例条件，板上的筋采用角钢L125808，现在通过实体建模如图 1：板用厚板单元，角钢用梁单元，面载垂直作用在板上， =8000 用来计算应力。qpa=6000 用来计算挠度。k铰接图 1 板筋结构有限元模型图1）图 2：角钢的最大应力为 169.66，位置在角钢的跨中。图 3：板的/Nm最大应力值为 127.18 ，位置在板2/Nm与角钢连接处，与上面板拉弯计算结果相近。图 2 角钢应力图 图 3 板的应力图2）位移图 4 表明：角钢的跨中变形最大值为 10.54 ，板跨中的最大变形值 15.77m。相对角钢的变形为 5.33 ，与上面m板拉弯计算结果相近。图 4 板与角钢的位移图2.2.2 仅有筋作用情况分析同上例条件，筋采用角钢125808，现通过实体建模如图 5：角L钢用梁单元，由板传来的线载为用来计算应力， 用8/qkNm6/kqNm来计算挠度。图 5 仅有角钢有限元模型图1）图 6:最大应力值为 522.68 ，位2/Nm置在角钢的跨中。2）挠度变形情况也是在角钢的跨中，其值如图 7:最大值为 向 39.75 。Z图 6 角钢应力图 图 7 角钢位移图2.2.3板上筋计算推算结果通过以两种情况分析表明：板对筋的贡献作用是非常大，应力由 522.68减小到 169.66 ，挠度应力2/Nm2/Nm由的 39.75 减小到 10.5 。由以上数据作如下三个简化（计算简图 8）：铰接1）荷载的简化：由面载传化为线载。2）截面的简化：考虑筋两侧各 15 （ 为t板的厚度） 。3）约束的简化：筋两端为铰接。图 8 筋的计算简图通过以上三个简化后，分别对两种情况进行计算，结果见表 2、表 3：计算结果表明与有限元分析结果相近，可见上述三个简化基本能反映板上的筋的实际受力情况。表 2 两种情况截面特性表型号 2()Acm4xI3()xWcL125808 15.99 256.77 30.42 L125808与板组合后 23.889 656.23 94.64 表 3 两种情况强度与挠度表型号 ()MkNmA)2(/(wL125808 16 525.92 37.81 L125808与板组合后 16 169.06 14.79 3 板上筋整体稳定性考虑上述所有计算过程中都没有考虑稳定性问题，对于这种板筋结构前面已说明过板在失稳状态会出现屈曲现象，对板的受力是有利的，但对于筋这类构件在失稳时，会大大的降低它的承载能力。现在通过有限元分析板上的筋稳定性情况，采用屈曲分析。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。本章分析基于线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析。3.1板上筋为角钢时的整体稳定性分析同上例条件，板上的筋采用角钢125808，现在通过实体建模：板用厚L板单元，角钢用也用厚板单元，面载垂直作用在板上， =8000 ，屈曲分析各板qpa的稳定性。屈曲分析结果见图 9、图 10 及表 4：图 9 第 1 阶屈曲模态图图 10 第 6 阶屈曲模态图表 4 各个模态对应的特征值见表模态 特征值1 -1.455982 -1.570943 -1.917164 -1.986095 -2.018136 -2.07463通过以上屈曲分析表明：板上的筋没有发生明显的失稳状态，屈曲都是板上，板上发生屈曲失稳的临界载荷都在 1.45 倍以上。因此板上筋整体稳定性满足设计要求。3.2 板上筋为板条时的整体稳定分析按板上筋计算推算结果，筋计算简图9图 11 板条筋的计算简图表 4 两种板条截面特性表（以下都与板组合后）板条型号 2()Acm4xI3()xWc_2506 22.8 1615.61 95.81_1801.2 29.7 1087.41 94.37表 5 两种板条强度与挠度表板条型号 ()MkNA)2(/(wm_2506 16 166.99 6.00 _1801.2 16 169.54 8.90 表 4、表 5 表明：对于板条的筋在不考虑整体稳定性情况下，板条高厚比越大越为经济,且应力和挠度相对较小。现用同样的原理分析两种不同的高厚比情况下的屈曲，分析其稳定性。见图 12、图 13：图 12 板条_2506 第 1 阶屈曲模态图图 13 板条_18012 第 1 阶屈曲模态图通过屈曲分析表明: 图 12 是板条先屈曲变形，而图 13 是板屈曲变形，板条变形不明显，可见板条用筋时，其高厚比越大整体稳定性越差,对于板筋结构要让板先达到屈曲后，再让筋屈曲失稳是最合理。因此要严格控制板条的高厚比，通过分析表明，板条高厚比要小于 15，且板条的厚度要大于板的厚度情况是可行的。4 板筋结构计算总结1）板计算按单向连续的拉弯计算。2）板筋三个计算简化：荷载按线载；截面考虑每侧 15 ；按简支构件计算。t3）板筋为型材时，其整体稳定性满足设计要求。型材中角钢最为经济。4）用板条作筋时，要控制其高厚比小于15，且要大于板的厚度，其不是很经济。参考文献1钢结构设计规范，GB 50071-2003，中国计划出版社，2003；2赵熙元主编，建筑钢结构设计手册，北京：冶金工业出版社，19953成大先主编，机械设计手册，北京：化学工业出版社，2003。ABSTRACT This article summarily show that the me