浅谈大型布袋除尘器壳体的结构设计及计算

2012-01-29中国大唐集团科技工程有限公司张军强

电子世界 2012年11期

关键词：加强筋壁板除尘器

中国大唐集团科技工程有限公司于帅张军强

浅谈大型布袋除尘器壳体的结构设计及计算

中国大唐集团科技工程有限公司于帅张军强

布袋除尘器的大型化要求设计人员对除尘器壳体进行合理设计。本文主要介绍了利用钢结构分析软件对布袋除尘器壳体进行分析、计算与比较。

除尘器；壳体设计；板筋结构

1.综述

布袋除尘器作为现阶段最高效的除尘设备，在电力、冶金、建材等高粉尘污染行业得到了日益广泛的应用，而且单体除尘器的发展趋向大型化，但目前还缺少成熟的设计理论及规范要求。对于大型布袋除尘器壳体在设计计算，荷载计算参考《建筑结构荷载规范》(GB50009－2001)，强度稳定校核参考《钢结构设计规范》(GB50017-2003)。随着计算力学、计算机技术及软件的发展，实际项目中多采用计算机辅助设计，计算分析软件主要有以ANSYS、SAP2000为代表的有限元分析软件和以3D3S、PKPM等为代表的结构设计软件，在实际工程设计时可视具体情况综合使用。

2.工程实例

以下通过工程实例，简述利用钢结构分析软件进行除尘器壳体结构的设计计算方法。

2.1 除尘器工艺参数

基本风压：0.55KN/m2；基本雪压：0.65 KN/m2；大气压：98.6Kpa；地震烈度7度，地震加速度0.10g；场地土类别Ⅱ类；除尘器设计压力：–9.0KPa～+9.0kPa。除尘器底部为高10.25米的钢支架，钢支架顶部为底梁，灰斗吊挂于底梁，底梁上部为高14.6米的除尘器壳体，壳体部分包括外壁板、内隔板、内支撑及顶板。沿烟气方向为除尘器进风喇叭口及出风喇叭口，进、出风喇叭口与除尘器壳体固定，壳体顶部为清灰等附属设备，壳体内部吊挂滤袋及袋笼等设备荷载。

2.2 壳体构造

壳体板，加强筋，壳体梁，壳体内支撑，立柱。

2.3 荷载分析

依据《建筑结构荷载规范》(GB500 09-2006)及《建筑抗震设计规范》(GB5 0011-200)进行计算及组合。

2.3.1 地震荷载

依据除尘器工艺参数及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）在分析软件中输入相关地震参数，在对模型进行内力分析时选择地震周期振型分析，则分析软件自动计算分配地震荷载。

2.3.2 风荷载

基本风压值0.55KN/m2，受力单元为壁板加强筋，体型系数为0.8-(0.5)，分别按X向及Y向两种工况施加于计算模型。

2.3.3 检修荷载

检修荷载标准值取qj=2.0KN/m2，分布在花板及屋顶两层，在模型中按均布活荷载施加，其中在壳体顶盖处按均布荷载施加于角钢加强筋，计算公式为： (Qj——施加于角钢加强筋的均布检修荷载；a——加强级间距)

2.3.4 雪荷载

在本工程中由于检修荷载标准值取2.0KN/m2＞基本雪压值0.65KN/m2，因此在荷载组合时不组合雪荷载。

2.3.5 重力荷载

重力荷载为恒荷载，包括：壳体重量、保温重量，由壁板加强筋承担，按均布恒荷载施加，荷载数值计算参考顶盖加强筋检修荷载的计算方法；滤袋重量、袋笼重量、滤袋挂灰重量，由花板承担，在模型中按均布恒荷载施加于花板支撑梁，荷载数值计算参考花板支撑梁检修荷载的计算方法；壳体顶部清灰系统等附属重量，为节点荷载，根据实际安装情况施加于壳体顶部各安装位置。

2.3.6 负压荷载

负压荷载按照除尘器设计压力，-9.0KPa～+9.0kPa的要求设计，为均布恒荷载，作用于所有壳体壁板，在计算模型中以壁板加强筋均布荷载的形式施加，其载荷值计算参考顶盖加强筋检修荷载的计算方法。

图1 计算简图(圆表示支座，数字为节点号)

图2 计算步骤见图

2.4 壁板计算

依据除尘器设计耐压值及板厚，对壁板的计算确定壁板加强筋的最大间隔，对壁板的计算按单项拉弯构件来计算，其计算方法如下：

式中M0——不考虑板中拉力按简支板计算的跨中最大弯矩，α取0.1；w0——不考虑板中拉力按简支板计算的跨中最大挠度，当为均布荷载时可取为；A、M——分别为单位宽度板的截面积及抵抗矩；N——板中拉力；I——单位宽度板的惯性矩；qk——板单位宽度上均布荷载的标准值；E1——板面风度中的折算弹性模量：(v为泊松比，取0.3)；k——系数，由方程求得；a——加强筋间距。

2.5 计算机建模及校核计算

2.5.1 结构简化

1）构造的简化

a.壳体板简化处理：不考虑板体的密封作用，按层设置的槽钢定义为主框架梁，垂直布置的外部角钢定义为小构造柱，小构造柱之间壳体板等效为柱间支撑且定义为拉杆形式，板体自重等效定义为垂直向下的均布恒荷载，负压载荷定义为垂直于板体的均布荷载。

b.梁柱的简化：所有除尘器外围板及内部隔板加强筋简化为立柱、顶板加强筋简化为次梁，所有壳体梁简化为主梁。

c.壳体内部支撑：壳体内部支撑主要起平衡壳体负压及抗侧向力作用，结构中须设置为水平梁及柱间斜支撑的形式。

2）构件截面的选择

a.加强筋截面的选择：由于壁板的作用，加强筋实际有效截面为加强筋与壁板的组合截面，在模型中对截面进行分析计算选优。

b.梁截面选择：由于壳体梁主要承担加强筋传来的课题负压荷载，故壳体梁选择时尽量选择平面内的截面参数大而平面外小的型材，本项目出于制作安装方便考虑，采用槽钢双拼H形截面，在模型中对截面进行分析计算选优。

c.柱截面选择：柱为轴心受压构件，因此尽量选择截面性能各向相同的型材，出于制作安装考虑，尽量选择方形截面，在本项目中，选择宽翼H钢及以宽翼H钢封口制作的“日”字型组合截面。

d.壳体内部支撑的简化：壳体内部支撑为轴心受力构件，因此尽量选择截面性能各向相同的型材，在模型中对截面进行分析计算选优。

2.5.2 建立实体模型

对简化后的壳体结构在分析计算软件中利用实体建模模块建立计算机模型，建立计算机实体模型是各构件的方位及连接方式须与实际结构相同，模型建立后计算简图见图1发。

2.5.3 受力分析及验算

先检查计算模型的单元释放、计算长度、构件方位及支座等的定义是否正确，然后将风荷载导为各受力构件的单元荷载，接着进行地震荷载的定义及计算，最后进行内力分析及设计验算，现将计算步骤见图2。

2.5.4 结构优化调整

通过比较采用不同种类型钢及结构方式、连接方式，综合各方因素确定最优方案。

1）壁面加强筋选择采用等边角钢、不等边角钢、槽钢、工字钢等，最后确定横梁采用双拼槽钢，立筋采用等边角钢；

2）箱体板间隔设置立柱，原考虑采用HW200×200、HW300×300，考虑加工制作、安装统一方便，最后统一采用HW200×200规格，个别立柱从稳定性考虑，将H型钢开口处用钢板封口处理，提高钢柱截面力学性能；

3）经过软件分析，梁柱之间连接采用刚性或铰接形式，最大应力位置变化较大，一般采用铰接方式，个别处采用刚性方式。

2.5.5 计算结果分析

经过对模型的多次调整优化，通过对最不利的前10个单元强度稳定及挠度的计算值统计及对所有单元的强度稳定性统计结果表明，在各种荷载按不同工况和组合作用下，所有构件的强度应力比小于1、抗剪应力比小于1、整体稳定应力比小于1、长细比及挠度均满足《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中规定，说明结构的设计和选材是合理的。