薄壁筒体承重钢结构高位稳压水箱结构设计

1、工程设计薄壁筒体承重钢结构高位稳压水箱结构设计张付可(北京首钢国际工程技术有限公司,北京100043摘要:某钢铁厂中厚板热轧工程的给排水系统高位稳压水箱,结构形式为薄壁筒体承重钢结构。结构设计中通 过承重结构的方案对比、给排水管的平面布置修改及相应的构造措施,解决结构设计过程中的诸多问题,满足结构 受力合理、用钢量省、施工速度快等要求。采用有限元分析软件MIDAS建立高位稳压水箱及基础的整体模型并辅 以相关计算,完成结构的相关计算分析。关键词:薄壁筒体承重钢结构;高位稳压水箱;有限元分析STRUCTURAL DESIGN oF AN ELEVATED CoNSTANTPRESSURETANK

2、SUPPoRTED BY A THIN-WALLED STEEL CYLINDERZhang Fuke(Beijing Shougang International Engineering Technology Co.Ltd,Beijing 100043。ChinaABSTRACT:The project is an elevated constantpressure tank supported by a thin-walled steel cylinder,which is used for water supply and drainage system in a steel plant

3、.Many problems are solved by comparison of load-bearing structure schemes,modification of plan layout of water supply and drainage pipes,as well as structural measures,SO as to meet the requirementsof reasonable structure.1ess consumption of steel and rapid construction.A modeI of the tank and found

4、ation is set up by FE software MIDAS,by which the analysis and calculation of the whole structure are completed.KEY WORDS:thin-walled steel cylinder,elevated constantpressure tank;FE analysisl 工程概况钢铁厂中厚板热轧工程的给排水系统高位稳压水箱是为中厚板热轧连续生产提供稳定压力冷却用水的子系统。中厚板热轧生产线正常生产时,该高位稳压水箱的供水管和出水管始终处于运行状态,给水管通过两级水泵不断补充水源至顶

5、部球体内,在控制稳定水压的情况下,通过出水管不断给生产线提供冷却水,以冷却轧制出的中厚板。该高位稳压水箱结构高度为57.38m(不含顶部塔尖,内部设置8层钢结构平台,顶部球体内径为12.3m。筒体承重部分的上部倒圆台段高度为4.92m,倒圆台段上口内径7.4m,下口内径6.0m。中部直筒段高度为21.78m,内径为6.0m。下部圆台段高度为20m,上口内径为6.0m,下口内径为 13m。工程设计基准期为50年,地面粗糙度类别为 B类,设计基本风压为0.40kN/m2。抗震设防烈度 为7度,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为 类,特征周期为0.40s(图1。图1高位稳压水箱立面示意2结构

6、方案的选定结构设计之初,初步拟定方案为薄壁简体承重作者:张付可,男,1978年10月出生,工程师。收稿日期:2009072046钢结构 2009年第12期第24卷总第127期张付可:薄壁筒体承重钢结构高位稳压水箱结构设计 钢结构与框架承重钢结构。以钢框架结构作为承重结构的方案采用周圈布置12个框架柱,沿高度方向 设置多层钢平台,在框架柱顶部设置钢环梁以实现 球体与支撑框架的连接。通过方案比较,认为周圈 框架承重钢结构方案结构受力明确,但存在施工周 期长、综合结构用钢量大及造型不够美观等问题,最 终选定为薄壁简体承重钢结构方案。方案确定后初 步采用文献Ez-I的结构形式,因该高位稳压水箱与文 献

7、1所示结构存在诸多方面的差异,故在结构设计 时考虑进行相应的改进。该项目的高位稳压水箱设计之初,给排水专业考 虑球体内部有效储水量为800ma时即可满足正常生 产时水压及储水量要求。经与制作加工厂家联系,该 密闭压力容器类球体钢结构的加工须制作专门的胎 具以对钢板进行轧制成形,而厂方只有1000m3的球 体生产胎具,若采用8001213的球体,其胎具制造时 间相对较长且加工费用较高,无法满足业主提出的 建设周期要求。为此修改了球体直径,在保持给排 水专业提出的最高水位不变的前提下,球体内部的 有效容积变为1000in3。该高位稳压水箱位于工厂角部,业主考虑周边 设施对其造型的影响,要求拆除周边

8、已有配套建、构 筑物,并在下部简体内部布置给上部球体供水的泵 站结构。避免影响高位稳压水箱结构的整体美观效 果。为满足在简体内部布置泵站结构的要求,须将 结构下部筒体的直径相应加大,加大后简体底部与 基础连接处的内径为13m。为避免下部圆台段斜 度过大,同时考虑到该结构与文献1相比高度更大 且上部水箱内水体自重更大,需加大结构中部直筒 段的直径,加大后的筒径为6m,修改后的结构立面 如图1所示。承重筒体部分沿高度方向划分为15个板带,其中下部圆台段6个板带,中部直筒段7个 板带,上部倒圆台段2个板带。顶部球体的板带划 分通过与加工厂交流,综合考虑钢材加工料损、胎具 加工能力和焊缝布置等方面因素

9、,确定其立面大致 划分为3部分,如图l所示。图2所示为该水箱球 体的板带划分俯视图。确定采用薄壁简体承重钢结构方案后,结构设 计中须解决以下几个方面的问题:给水管供水时对 顶部球体侧向冲击引起结构相对较大的横向振动、 筒体与球体连接部位的选择、结构稳定性计算、钢结 构平台与筒体的连接、顶部结构的整体吊装组焊、简 体基础连接处螺栓承载力校核、球体内部水体对结 构抗震的减震效果、简体局部开洞影响等问题。晒磅一 图2顶部球体板带划分俯视示意3给水时水冲击荷载的合理避免高位稳压水箱给排水管道中,相对较大的管有 进水管、出水管和溢流管,其平面布置如图3所示。 溢流管和进水管分布于两侧,出水管位于球体底部

10、 的中心部位,其立面布置如图4a所示。即进水管给 顶部球供水时出水方向为水平向,会对顶部球体产 生一定的水平冲击作用,引起高位稳压水箱的横向 振动。我国以往由日方设计完成的类似工程中曾出 现振动过大影响正常使用的问题。经与给排水专业 协商,将其进水管的管道改为图4b所示的形式,1一进水管直径1000mm 12一中心出水管直径1500mm 1 3一溢流管直径8ZO mtn图3内部水管平面布置丑 ba一初步方案;b一调整后方案l正常水位51.70m;2一最低水位;3一溢流管柏20minx 10mml4一进水管+1020mm×10mm图4给排水的设计Steel Construction.2

11、009(12,V01.24。No.12747工程设计 即将进水管顶部的弯头长度加大至球体中一15线,同 时将弯头与水平面的夹角由90。改为180。,修改后 进水管的供水方向改为竖直向下并对准出水管(球 体中心下部。由此,可较大程度地减小供水时水对 结构的横向冲击影响。为避免进水时因水压和管道 弯头引起的管道振动,在其管道弯头标高略偏低处 设置1层水平支撑,水平支撑通过球体内部设置的 环向加劲与球体连接。由此,通过管道弯头的合理 修改,可有效避免给水时引起的结构横向振动问题, 结构分析时可不考虑其不利影响。 4简体与球体连接部位的选择采用薄壁简体承重的结构方案,其球体与筒体 的常规连接节点如图5

12、(无加劲肋所示。承重筒体 与顶部球体连接部位可视为线支座,在球体内部满 水状态下连接部位的球壳存在相对较大的平面外弯 蓝应力.。浙江大学童根树教授对该连接部位的选择 进行了理论推导,通过推导确定顶部球心与支座位 置连线与水平线的夹角为30。时,连接部位的球壳 受力处于有利的状态。设计时考虑到该夹角为 30。时,上部倒圆台的上口与球体连接处基本处于相 切状态,连接部位的焊缝承受较大剪力。为避免此 问题,在设计中将该夹角适当加大,夹角加大后连接 外球壳将产生相对较大的应力集中问题。为解决这 一问题,在连接部位球体的内部设置36个横向加劲 肋,加劲肋与球体连接如图5所示,通过设置该加劲 肋并利用其平

13、面内刚度较大的作用,可将支座反力相 对均匀地传递至加劲肋长度范围内的球壳,以减小球 体连接部位的应力集中问题。图6所示为两种不同 状态下有限元计算结果。通过计算结果的对比可见, 不设置加劲肋时连接部位的球体应力值为107MPa, 设置加劲肋后应力值为59MPa,且设置加劲肋后连 接处的应力较未设置加劲的应力分布更为均匀。除 此之外,设置的36个横向加劲肋可兼作挡水板,减小号节点1一t=20mm,共36块,均布;Z-t=6111rn垫板13一方钢与球体连接焊缝;4一安装焊缝;5一简壁与转体连接焊缝;6一筒体竖向加劲;7一筒壁与球体连接焊缝(周豳图5球体与筒壁蓐接示意给水时球体内部水的转动问题。连

14、接处的节点构造, 鉴于文献1给出的节点(图5所示号节点构造繁 琐,加工制作工作量大且连接处的3条焊缝紧邻,易 引起较大的焊接应力集中和局部区域的钢板层状撕 裂。设计中将22mmX22mm方钢取消,采用图5中号节点所示1条焊缝的形式。a一连接处不做加劲;b一连接处设簧加劲后图6球体应力云图MPa5钢结构平台与筒体的连接与文献1中给出的事故水塔不同之处在于,该 高位稳压水箱内部的水始终处于循环状态,以满足 生产连续用水的要求。筒体内部沿高度方向通长设 置进水管、出水管及溢流管,正常生产时须每天巡 检。由此,内部须设置多层操作平台及钢梯。因该 水箱采用薄壁简体承重的结构形式,筒体平面外受 力性能差易

15、产生局部失稳问题。为避免平台梁传递 弯矩至承重筒体,设计时将所有平台梁与筒体加劲 肋的连接均采用铰接的连接形式(图7。对平面布 置中局部平台梁与纵向加劲肋不能对应连接处,可 在环向加劲肋上下设置局部的纵向加劲肋,以实现 与平台梁的铰接连接。譬器1一水箱筒壁;2一平台环向加劲;3一局部增设纵向加劲;4一纵向 加劲;5一局部与平台粱连接处设置加劲,高度与平台环向加劲高度相同;6一筒壁;7一花纹盖板图7平台连接详图48钢结构2009年第12期第24卷总第127期张付可:薄壁筒体承重钢结构高住稳压水箱结构设计6顶部结构的整体吊装焊接顶部球体属压力容器类钢结构,在正常生产时 内部处于满水状态,其安装前须

16、进行密水性试验。 另外,因其造型为球体钢结构。须采用特定胎具将钢 板压制成型。考虑以上两方面的因素,设计时须考 虑上部球体结构在现场进行整体吊装焊接的问题。 考虑到现场焊接(图8的难度较大,设计时考虑将 上部倒圆台部分划分为两个板带,将上部板带与球 体的焊接及球体内部的支撑平台在吊装之前完成。 在倒圆台两个板带之间设置水平端板用以现场吊装 后找平对正,并在上下两块端板纵向加劲的两侧设 置铆栓,用以现场焊接时临时固定。上下两部分承 重筒体的钢板吊装前预开剖口,当上部钢结构吊装 就位并固定后,在筒体外部完成环向焊缝的焊接。图8吊装部分与下部简体连接现场焊接7承重简体钢结构稳定性计算为满足投入使用后

17、安装、检修等要求,在筒体内 部须设置多层钢结构平台及钢梯。同时,目前国内 对于该类结构的加工精度及安装误差方面的指导性 规程并不完善,且该结构类型属于径厚比大的长壳 结构。综合考虑以上因素,为实现安装、检修要求并 避免施工误差对结构的稳定承载力造成较大影响, 方案拟定在筒体内部设置纵向加劲肋及环向加劲 肋。沿筒体周圈在简体内部均匀设置18道纵向加 劲肋,纵向加劲肋的设置要求是沿着结构高度通长设 置,上端至筒体与球体连接标高处以下100mm(图 5,便于连接处的焊接操作:另外,在设置平台的标 高处设置横向加劲肋。;除此之外,在以下几种情况 下还需增设环向加劲肋:筒体下部层高较大的平台 之间、顶部

18、与球体连接处、筒体变截面(外形存在拐 点处。结构各层平台的标高和设置环向加劲肋处 的标高如表1所示。薄壁筒体承重结构稳定承载力的计算参考文献 3进行。该类结构按文献3计算确定的结构稳定 承载力均过大(如表2计算所得仃x.cR值,属理想临 界力。在钢结构的实际制作、安装过程中无法避免 偏差、焊接引起的结构局部变形及结构初始几何缺 陷等不利因素,考虑上述诸多不利因素对其承载力 影响较大。文献3针对筒体半径与板厚比值的不 同,通过大量试验得出的实际临界压力值仅为理论 计算值的15%60%,考虑本结构的径厚比在94 361之间,取其稳定承载力值不大于钢材强度设计 值,=205MPa和0.2ax'

19、;cR中的较小值。结合本结 构纵向加劲肋设置间距均小于环向加劲肋间距,按 考虑纵、环向加劲肋同时作用(方法一和不考虑环 向加劲肋作用(方法二两种方法,分别进行计算,计 算结果如表2所示。表2各部位稳定应力计算值通过以上计算确定了简体结构的稳定承载力 值。由表2可见,除筒体结构下部外,其余部位均接 近于钢材强度设计值厂。考虑该高位稳压水箱的筒 体结构尚须考虑其在水平荷载(风荷载和水平地震 荷载作用下局部应力相对较大的问题,采用通用有 限元分析软件建立结构的整体有限元分析模型,并Steel Construction.2009(12,V01.24,No.12749工程设计控制结构各个部位的计算应力值

20、不大于表2所示的 稳定承载力值。8结构整体有限元分析鉴于该高位稳压水箱尚须考虑其在水平荷载 (风荷载和水平地震荷载作用下局部应力集中的问 题,采用通用有限元分析软件MIDAS建立该结构 的整体有限元分析模型(含纵向加劲肋、环向加劲肋及各层钢结构平台,其中承重简体和球体的板厚由 文献1确定。通过计算发现,在如下两个区域简体 的应力值相对较大:简体与球体连接处(166MPa、 中部直筒段和下部圆台段(233MPa。为此将该两 处的板厚分别加大至25mm和32mm,修改后该两 处的应力值分别降低至126MPa和130MPa。图9为 承重筒体各部分在板厚调整前后的应力云图。表3为该高位稳压水箱各部分的

21、板厚及计算应力值。 a一上部倒圆台(修改前巾一上部倒圆台(修改后lc一中部直筒段(修改前; d-中部直筒段(修改后;e一下部圆台段(修改前;f一下部圆台段(修改后图9承重筒体应力云图MPa袭3承重简体各部位应力值部位标高/m板厚/ram应力/MPa部位 标高/m板厚/ram应力/MPa倒圆台上部44.29046.7502512681下圆台一段 16.55020.05032132直简一段 38.44041.83018102下圆台二段 13.05016.5501887直筒二段 35.05038.4401850下圆台i段 9.55013.0501875直筒三段 32.05035.0501804下圆台

22、网段 6.0509.5501864直筒四段 29.05032.0501870下圆台五段3.0506.0501853直筒六段23.05026.0501895由表3及修改后的结构应力云图可见,在承重 筒体中如下几个部位存在应力相对较大的问题:简 体与球体连接处、简体结构变截面处及平台梁与简 体连接处。分析认为,主要是由于筒体变截面处存 在一定的平面外弯曲应力,故设计中针对变截面处 的上下部位,均相应增设环向加劲。与平台梁连接 处简体局部计算应力值相对较大,比周边简体的应 力值大715MPa,这主要是由于平台竖向荷载引 起此处局部应力集中。中部筒体部分应力值相对较 大的区域由下而上呈扇形,主要是因为

23、考虑结构的 水平荷载(水平地震荷载和风荷载作用方向为沿着 结构的X、y两个方向。因实际水平作用方向是随机的,而结构平面为圆形结构,对简体结构的应力值 应取各段应力的最大值。考虑到下部开有相对较大的门洞,在结构计算 中会产生一定的影响,故整体结构建模时建立了该 门洞。通过计算发现,在洞口的上角部及两侧出现 一定程度的应力集中(135MPa,设计时将该区域 门洞改为圆弧过渡的形式,并在门洞两侧布置纵向 加劲肋,以减小该区域的应力集中问题。由图10可 见,洞口以上部位应力相对较小。分析认为,开洞对 该部位简体的竖向抗压刚度有所减弱,故沿着简体 表面传递的竖向荷载,在竖向传递时沿着门洞两侧 竖向刚度相

24、对较大的区域传递至基础,由此引起门50钢结构2009年第12期第24卷总第127期张付可：薄壁筒体承重钢结构高位稳压水箱结构设计 洞两侧也出现应力相对较大的问题。 的处理，完成了该高位稳压水箱的结构设计工作。 目前，该高位稳压水箱已建成并投入使用，运行状态 良好。 结 语 ）通过对给排水管道弯头的合理改进，避免了 给水过程对结构产生横向振动的不利影响。 ）简体与球体的连接部位确定后，采取有效措 施解决了该处的应力集中问题。 图筒体下部开洞区域应力云图 ）采用平台梁与简体纵向加劲肋的铰接连接， 避免了筒体平面外受力的问题，可有效避免筒体局 部失稳的问题。 ）通过对承重简体结构稳定性验算。确定了各 部位稳定应力值，确定了采用有限元建立整体模型 分析的可行性。 ）通过整体有限元分析模型确定了各部位的应 力值和底部连接螺栓的大小，并基于计算结果确定 了相应的结构构造措施。 筒体基础连接处螺栓承载力校核 因该高位稳压水箱顶部球体内水体的自重大， 其有利作用可忽略不计，故设计时不考虑其有利作 用。结构在水平地震作用下筒体底部将产生相对较 大的竖向拉应力，且对于筒径壁