散粮皮带通廊结构静态性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

散粮皮带通廊结构静态性能分析

王景起

(天津港第二港埠有限公司 天津300456)

皮带通廊是散货码头的主要设备之一，由于该类设备的设计寿命较长，结构体积较大，维护节点多，特别是长期处在海边恶劣的工况条件下，其钢结构容易发生锈蚀损伤，严重降低了通廊结构及整套设施的安全可靠性。以天津港第二港埠有限公司散粮皮带通廊设备作为研究对象，根据该类设备的结构及工况特点，并依据设计图纸及实际锈蚀损伤情况，建立有限元分析模型，深入研究了皮带通廊结构的静态性能，为皮带通廊的维护方案提供了理论依据。

皮带通廊 载荷分析 有限元

0 引 言

天津港第二港埠有限公司的皮带通廊系统由英国西蒙公司设计制造，并于1988年投入使用，是当时国内首个超长距离钢结构气动皮带通廊，其主要作业对象为小麦和大豆，设计装卸效率为1,000,t/h，至今已运行27年。由于地处沿海，气候终年潮湿，且空气盐分含量极大，加之堆积在通廊钢结构上的物料得不到及时清理，易造成通廊钢结构的锈蚀损伤，这种严重的锈蚀损伤在一定程度上降低了通廊结构的安全性能，如图1所示。因此，为保证设备正常运行，有必要对皮带通廊的结构状况进行定期检测，并加强对受力集中区域和薄弱部位的检查。

图1 皮带通廊结构锈蚀损伤Fig.1 Corrosion damages of belt corridor structure

1 通廊结构特性及载荷分析

1.1 通廊结构材料特性

皮带通廊钢结构主要采用Q235钢材制造，其弹性模量：E=2.06×1011MPa (N/m2)，泊松比：μ= 0.3，能很好满足工作中产生的较小位移和应变要求。根据钢结构梁的厚度，取安全系数n=1.5，则许用应力为：

1.2 通廊结构载荷分析

该通廊结构全长共800,m，由26个平跨及23个拱跨钢结构构成。由于篇幅所限，本文仅选取其中一段56,m损伤较严重的平跨结构作为研究对象。在正常作业条件下，该段平跨结构主要承受的载荷有自重载荷、物料载荷及风载荷，具体分析如下：

1.2.1 自重载荷

56,m平跨结构自重为82,228,kg，取重力加速度为9.8 m/s2，则56,m平跨结构自重载荷为：

1.2.2 物料载荷

根据皮带实际运行速度计算，皮带物料载荷取100,kg/m，则56,m平跨结物料总载荷为：

1.2.3 风载荷

由于皮带通廊结构位于码头前沿，故其结构将不可避免地承受风载荷的作用。为考虑最不利情况，方向取为与全局坐标系Z轴平行，以及与皮带通廊纵向相垂直的水平方向。同时，要分别考虑工作状态和非工作状态下的载荷情况(其中工作状态风载荷取相应风速为25,m/s，非工作状态风载荷取相应风速为55,m/s)。由此，风载荷的计算公式为：

式中，C为风力系数，Kh为风压高度变化系数，β为阵风系数为风压，其中v为风速，A为结构件垂直于风向的实体迎风面积。

2 Ansys有限元分析

2.1 有限元模型

本文研究的56,m平跨结构(见图2)，其连接构件可用其轴线来代替，构件之间的节点可根据实际情况简化为铰接点和固定接点，模型使用ANSYS单元库所提供的BEAM189单元进行建模。其中，节点共计3,035个，单元共计1 404个，如图3所示。其中子跨结构每端部的4个节点在X、Y、Z方向固定，在ROTx，ROTy，ROTz方向上自由。

图2 56,m平跨结构工程图Fig.2 Engineering drawing of a 56,m span structure

图3 56,m平跨结构有限元模型Fig.3 Finite element model of a 56,m span structure

在对模型进行结构受力计算之前，首先要确定载荷工况，其目的是使计算结果能够与皮带通廊结构处于最不利工况时结构件的受力相一致。根据皮带通廊结构特点及风速大小，取以下两种载荷工况作为对皮带通廊结构件受力分析依据。

工况一(最大工作风载工况)：

结构自重载荷＋物料载荷＋25,m/s风载，风向与全局坐标系Z轴平行。

工况二(最大非工作风载工况)：

结构自重载荷＋55,m/s风载，风向与全局坐标系Z轴平行。下面对上述两种工况分别进行分析。

2.2 静态性能分析

2.2.1 工况一

工况一状态下，结构加载如图4所示，其中结构自重载荷以整体惯性载荷形式施加，取重力加速度g=9.8m/s2，方向沿Y轴正向，对前后两片桁架沿Z轴负向施加。该工况下，结构整体应力云图如图5所示，4根水平弦杆应力云图如图6所示，内部框架结构应力云图如图7所示。由图可见，56,m平跨结构最大计算应力为σp1max=71MPa ＜[σ]，满足静强度要求。

图4 工况一结构加载图Fig.4 Structure loading under working condition 1

图5 工况一结构整体应力云图Fig.5 Overall stress map of the structure under working condition 1

图6 水平弦杆应力云图Fig.6 Stress map of horizontal chord member

图7 内部框架应力云图Fig.7 Stress map of interior frame

2.2.2 工况二

工况二状态下，结构加载方式同工况一，但风载荷对应风速为55,m/s，结构加载图如图8所示。该工况下，结构整体应力云图如图9所示，4根水平弦杆应力云图如图10所示，内部框架结构应力云图如图11所示，其结构最大计算应力为σp2max=151.2MPa ，虽满足静强度要求，但已十分接近结构许用应力。

图8 工况二结构加载图Fig.8 Structure loading under working condition 2

图9 工况二结构整体应力云图Fig.9 Overall stress map of the structure under working condition 2

图10 水平弦杆应力云图Fig.10 Stress map of horizontal chord member

图11 内部框架应力云图Fig.11 Stress map of interior frame

3 结 论

由于锈蚀损伤的存在，皮带通廊结构所受应力水平相应提高，恶化了皮带通廊结构的受力状态。其中，工况一状态下，皮带通廊结构能够满足静强度性能要求。但在工况二状态下，其结构的最大应力已非常接近结构许用应力，在极端情况下可能造成通廊结构的破坏性损伤。因此，要根据有限元分析结果，加强对该段通廊结构的维护和动态检查力度，必要时要采取加固措施，确保皮带通廊的运行安全。■

［1］ 皮带运输机通廊建筑构造(09J904)[Z]. 中国建筑标准设计研究院，2009.

［2］ 张驰. 散粮连续卸船机应力监控系统设计[D]. 天津：天津大学，2012.

［3］ 潘东毅. 大跨度钢管桁架结构非线性稳定性研究[J].企业导报，2011(17)：295-296.

［4］ 蔡晶，吴智深，李兆霞. 静力载荷作用下结构参数识别及状态评估的统计分析[J]. 工程力学，2004，21(6)：76-83.

［5］ 王世忠. 结构力学与有限元法[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2003.

［6］ 龚曙光. ANSYS基础应用及范例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

Static Performance Analysis on Bulk Grain Belt Corridor Structure

WANG Jingqi
(Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd，Tianjin 300456，China)

Belt corridor is a major bulk terminal equipment．Due to its long design life，bulky structure，maintenance complexity，especially harsh seaside working conditions，the corridor’s steel structure is susceptible to corrosion damage，which severely reduces the safety and reliability of the gallery structure．Taking bulk grain belt corridor device in Tianjin Harbour Second Stevedoring Co.，Ltd as the research subject，a finite element analysis model was established according to characteristics of the structure and condition of such equipment and in accordance with design drawings and actual corrosion damages．An in-depth study of the static performance of belt corridor structure was carried out，which provides a theoretical basis for the maintenance management scheme.

belt corridor；load analysis；finite element

TS21

A

1006-8945(2016)03-0051-03

2016-02-22