方箱式加熱爐輻射段壁板抗側(cè)剛度計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)計軟件的普及，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了更為簡單、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)計指標(biāo)和參數(shù)不能很好的與實際情況相對應(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加熱爐輻射段壁板的強(qiáng)度問題。因此在工程設(shè)計中可以大大簡化力學(xué)模型，給設(shè)計者提供更為直觀有效的檢驗結(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)計也隨之成為加熱爐設(shè)計的重要一環(huán)。
但是目前我們專業(yè)所使用主要的計算軟件為STAAD-PRO，許多設(shè)計人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模時，經(jīng)常采用將板單元指定到梁柱連接的節(jié)點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)值均與實際情況差距很大，同時在SSDD檢驗當(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)剛度與實際值差距很大，甚至有些時候超出了規(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算結(jié)果比較
方箱式加熱爐輻射段一般在設(shè)計時，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)計時，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)實情況。
2 彈性簡化計算模型
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)在兩個斜角線上。由此可知，在忽略鋼梁框架在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動的前提下，將上圖的模型簡化成下圖的所示“兩斜桿和兩豎桿”的計算模型，且它們與橫梁之間的連接均為鉸接。
根據(jù)簡化計算模型，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)計算較為方便的軟件（例如：STAAD-PRO軟件）進(jìn)行計算。但是在建模時應(yīng)將這些斜撐指定成二力桿，并且在規(guī)范檢驗時，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實例檢驗
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，主要是因為簡化過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)向位移會有所增加。
4結(jié)論
STAAD-PRO在建模時，如果不將板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，那么該軟件計算出來的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度將比實際情況大很多，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)計人員提供解決板單元主要受力問題的一種途徑。
參考文獻(xiàn)
[1]王朝偉，何福照，等編著.板結(jié)構(gòu).北京：人民交通出版社出版發(fā)行.
[2]SH/T3070-2005.石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.
[3]API STD.560.Fired Heaters for General Refinery Services.
[4]孫訓(xùn)方，胡增強(qiáng)，等編著.材料力學(xué).北京：高等教育出版社.
[5]龍馭球，包世華，等編著. 結(jié)構(gòu)力學(xué).北京：高等教育出版社.
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