带滑动支座型除尘器钢框架设计研究

周海涛，侯广超，赵永存，田 源

带滑动支座型除尘器钢框架设计研究

周海涛1，侯广超2，赵永存2，田 源2

(1.河南城建学院，河南 平顶山 467001；2.河南中材环保有限公司，河南 平顶山 467001)

结构构造复杂、荷载工况特殊、设计要求特殊是除尘器钢结构设计所面临的问题。结合具体带滑动支座型除尘器钢框架项目设计过程，研究了滑动支座的模拟方法，阐述了结构在各特殊工况下的变形和内力分布特征，分析了其受力机理，并列示了构件应力比和必要的变形计算结果。对此类工业建筑的设计提供借鉴。

带滑动支座型除尘器；温度荷载；负压荷载；满灰荷载；力学效应

除尘器是广泛应用于建材生产、火力发电和冶金行业的大型空气净化设备，其主要用途是对生产过程中产生的含粉尘气体中的粉尘颗粒进行收集，使最终排出气体中的残余颗粒含量低于国家相关环保标准。典型除尘器主要结构构成分为三层[1]：底部支架结构层，中部设备箱体结构层(包括灰斗)，以及顶部刚架或钢桁架结构层，如图1所示。

设备箱体内安装有各种用于除尘作业的机电设备，为支撑这些设备，箱体内沿纵横方向和竖向布置了大量钢构件，且四周和顶部均以薄钢板(厚度以5 mm为主)满焊覆盖密封，箱体底部则连接用于集灰的灰斗(灰斗延伸到底部支架标高范围内)。底部支架的主要作用是把设备箱体支撑到一定标高，以实现和其他生产环节设备的构造连接。顶部刚架、桁架内安装悬挂吊车设备，用于设备箱体内检修工作开展。

图1 典型除尘器钢结构

除尘器钢结构的特殊性在于：(1)企业正常生产时，除尘器运行温度达到近200℃，极限温度则达到200 ℃～300 ℃，这种温度荷载工况导致的内力和变形效应非常显著，是除尘器设计必须考虑的核心问题之一；(2)结构安装完毕时，重力荷载仅包括结构自重和安装活载，而设备工作时，灰斗内会贮存大量的积灰，积灰的自重在灰斗满灰的情况下可达到除尘器钢结构自重的3倍以上，即结构重力荷载增加近3倍，因为正常生产企业里除尘器年运行时间在300 d以上，该灰荷载一般归入结构永久荷载类别内；(3)为保证气流在设备内部的有序流动，除尘器设备箱体内部在运行时处于负压状态，气体压力值随项目变化，大体为-4～-7 kPa，远大于风压。在设计时，负压荷载也应作为一种工况考虑。

为降低设备箱体构件所承受的高温运行状态带来的温度应力和次生问题的发生，需要对约束二层设备箱体的底层支架与设备箱体结构间的连接构造进行专门考虑[2]。基于安装需要，除尘器内部构件分布复杂，导致结构内力效应分布复杂。国内关于除尘器钢结构设计的文献和书籍，往往采用手工简化粗算方法，普遍没有对温度荷载及负压荷载等引起的力学效应进行深入的分析和专门阐述，准确性明显不足。而研究类文献往往集中于局部构件进行计算分析，对于钢结构的整体设计很难发挥直接指导作用。

本文从建筑钢结构设计人员的角度，结合中材集团某北非项目，以结构设计流程为主线，采用带滑动支座除尘器钢结构方案，对包括温度荷载、负压荷载及灰荷载在内的各主要荷载工况引起的内力和变形分布进行计算，并分析受力机理，然后进行荷载效应的组合计算，得到各构件应力比并部分列示。

1 项目概况

本除尘器钢结构总长36.8 m，宽17.9 m，如图2所示，由横向净间距为5 m的两列共14台单体组成。其中，地面标高±0 m，底层支架标高7.2 m，二层设备箱体顶标高14.26 m，灰斗底部标高1.76 m，三层刚架顶标高20.26 m。各单体的设备箱体沿纵向内侧底部开洞口，接进气设备，引入含粉尘气体。气体在设备箱体内由除尘机械设备进行除尘作业后，从单体顶部进入净气室内。而粉尘颗粒则落入设备箱体底部的灰斗内。

底部支架材料为Q345，其他部分材料均为Q235-B，材料热膨胀系数取值1.2×10-5/℃。由于设备箱体在极限状态下要承受200℃以上高温作用，根据文献[3-4]试验结果，260℃高温作用下的构件材料强度设计值应予以0.75倍的折减考虑。

图2 除尘器钢结构立面图

根据允许滑动方向不同，滑动支座分为双向滑动支座，纵向滑动支座和横向滑动支座。其顺滑动方向竖向剖面如图3所示，其中下滑动块上表面为四氟乙烯板，上滑动块下表面为特殊不锈钢钢板，滑动面间摩擦系数取值0.02，俗称四氟乙烯滑动支座，其布置如图4所示。

图3四氟乙烯滑动支座顺滑动方向竖向剖面图图4底层钢支架柱顶滑动支座布置示意图

2 建模

根据结构图纸进行空间数值建模。对于四周满焊连接的围护薄板或波纹板，面内刚度较大，因此按等厚度板单元建模[5]。

滑动支座在其顶面承受一定的重力荷载作用的情况下，滑动面上的水平剪力从零增大到最大静摩擦力后，滑动动作才会发生。且该水平剪力始终等于最大静摩擦力的情况下，滑动动作才能维持。其滞回曲线如图5所示，表现出典型的非线性特征。另外，在实际安装时，滑动支座上下滑块间通常无可靠的竖向连接约束，使得上下滑块间只能受压，不能受拉。

为模拟此类支座力学特性，本文先后考虑了摩擦摆单元和多折线弹簧单元。但摩擦摆单元仅能用于时程分析计算，多折线弹簧单元无法用于反应谱计算。

图5 滑动支座滞回曲线及有效刚度示意

《建筑消能减震技术规程》6.3节6.3.2条规定，可采用等效刚度来模拟隔震支座对结构刚度特性的贡献。等效刚度是指如果不考虑加载由弹性到塑性的变化过程，仅考虑屈服后累计位移与力的关系折算出的刚度。参考此项规定，滑动支座的力学特征可以采用仅受压杆单元加线性弹簧的组合来模拟。其中，仅以受压杆单元模拟竖向支座的受压性能，且水平变形不在该杆件内产生力。线性弹簧则仅定义水平刚度值，水平刚度值取温度荷载作用下的有效刚度(最大静摩擦力取计算组合下恒荷载工况与0.5倍活荷载工况下该支座所受轴力和的0.02倍)。该值是反复迭代试算取得的，并且每个位置处的线性弹簧刚度值是有差异的。该模拟方法的适用性在本文3.3节得到验证。

用温度荷载作用下的变形来确定弹簧单元水平刚度，由于7轴支座的纵向限位(图4)和C、D轴支座的横向限位作用发挥，能引起滑动支座发生明显滑动的只有温度荷载工况。风荷载和地震荷载工况并不能引起各支座上下滑动面间明显的滑动位移。

经与完全固定模型(前述图4中所有滑动支座均置换为上下刚接的短钢柱)计算比较，两种模型的前15阶自振周期与振形差异极小。说明本模型基本适用于结构停机时地震荷载效应的计算(此时无高温荷载作用，滑动支座未发生滑动变形)。

结构计算模型如图6所示，结构内部构造如图7所示。

图6 结构内部构件构造

图7 结构荷载分布示意

3 各主要荷载工况下结构构件内力变形计算结果及分析

本案例除尘器钢结构承受的荷载包括：(1)恒载D1，包含钢结构自重，外覆岩棉保温层、顶层墙檩、屋面板等(荷载施加方式均见图7)；(2)灰斗灰荷载D2，总计约1 500 t，参考土压力计算公式，以面荷载的形式垂直施加在灰斗内围护板件单元上；(3)各类活载；(4)温度荷载T260，按260℃计，为设备工作运行时二层设备箱体内构件承受的温度荷载，本文作为一种特殊的恒荷载考虑，荷载分项系数、组合值系数均取值 1.0；(5)工作负压NPRESS，存在于除尘器设备箱体内，三向荷载，本案例按5 kPa计；(6)双向风荷载；(7)双向地震荷载，经参数换算，对应我国设计规范中的7度设防烈度，二类场地，地震分组为第二组。

3.1恒载D1工况下的内力与变形

经计算，在D1工况下，基底竖向反力分布如图8所示(紫色线条为斜撑)，合计650 t。由竖向反力的对称性，一定程度上证明了模型内部构件分布的对称性。注意到，5轴和9轴柱底竖向反力明显大于7轴基础竖向反力；这是因为7轴位置处柱顶压力在下传过程中，由于变形协调效应的存在，使得部分压力被单斜撑承受，发生分力现象。

图8 恒载D1作用下基底竖向反力(单位：t)

图9 除尘器单体局部内力传递示意图

3.2灰斗荷载D2工况下的内力与变形

D2是一种作用在灰斗内表面的外压面荷载。力的主要传递路径如图9中黑线所示：压力荷载首先以拉力(拉应力)形式传递给灰斗内板件及斜贴杆件1，继而传递给与其竖向相连的钢板3及框支立柱2，之后传递给二层立柱4，并使其受压力作用，立柱4把力传递到其底部的滑动支座5上，然后传至底层立柱6上，最终传至基础。

2—3轴交A—C轴典型单体在该工况下板件竖向应力分布和变形，以及构件轴向内力分布如图10所示。可见，灰斗内板竖向承受较大拉应力，且以四角最大；二层箱体板件竖向应力以大部分拉应力为主，而二层立柱部位则转变为压应力，框支柱受拉，则二层立柱受压；灰斗内斜贴杆件，除顶部局部受压，大部分处于受拉状态。由于灰斗底部向外膨胀，导致相邻的环向水平梁及其附近水平构件发生压缩变形，从而使其处于受压状态。

图10 除尘器单体构件内力分布云图

3.3温度荷载T260工况下的内力与变形

温度荷载工况是一种较为复杂的三向荷载，由于除尘器钢结构内部构件空间布置的复杂性，使得众多板件和构件的内力分布和变形分布呈现出极为复杂的形态。

由于顶层刚架和底层钢支架层处于常温状态，而二层设备箱体在正常工作时处于高温状态，钢材的热膨胀效应导致二层箱体发生明显的向外膨胀变形。如图11所示，从横向看，该膨胀变形带动顶层刚架底部发生大幅度横向位移变形，而底部钢支架则变形极小，钢支架顶部与二层设备箱体底部间存在明显的相对位移，经核查，相对位移幅值达到21 mm以上(A轴和F轴上)，即相应位置处滑动支座上滑块和下滑块间在Y方向相对滑动达到21 mm以上。而纵向，以7轴柱子为不动点，结构二层设备箱体向两边膨胀变形，其中离7轴最远的15轴处结构膨胀变形最大，达到66 mm。二层设备箱体的膨胀变形同样带动了顶层刚架底部的大幅度变形，而对底层钢支架层则影响较小。经核查，15轴处底部钢支架柱顶在此工况下沿结构纵向的变形最大约0.9 mm，即相应位置处滑动支座上滑块和下滑块间在X方向相对滑动达到约65 mm。(其他位置处滑动支座的上下滑块，随支座离7轴越近，则相对滑动越小)。

图11 温度荷载作用下结构的变形

图12是该工况下柱底竖向反力分布，可以看到，各个柱底竖向反力均为零，总反力为零，体现出温度效应的内平衡性。

图12 温度荷载作用时柱底竖向反力(单位：t)

前述温度荷载工况下结构变形和底部竖向反力分布特征计算结果，符合对带滑动支座型钢除尘器钢框架结构在温度荷载作用下力学特性表现的预期，也符合一般结构概念，证明了本文滑动支座模拟方法的适用性。

取3-5轴交A-F轴处的两个单体，核查其板单元应力分布云图如图13所示，可见，顺气流方向，C轴和D轴上板件在面内水平方向(图13(a))及竖向(图13(c))处于受压状态，而A轴和F轴上板件在面内水平方向处于受拉状态。3轴和5轴上板件(横气流方向布置)基本处于受压状态。

图13 板单元应力云图

分别选取5轴钢框架和4轴框支钢架各一榀，核查其轴力。如图14所示，由于C轴和D轴上仅安装纵向滑动支座，二层设备箱体位于C-D轴间的构件在结构横向的膨胀变形受到明显约束，从而导致烟道内设备箱体中的横向构件处于受压状态，而下方底层钢支架系梁处于受拉状态。总体看，由于约束刚度整体较小，导致各个构件及板单元中内力、应力都比较小，这也是符合设计意图的。

图14 钢框架在温度荷载T260工况下轴向内力图(单位：kN)

3.4负压荷载工况下的内力与变形

图15 钢框架在负压荷载工况下的变形云图

如图7(b)所示，同温度荷载T260，负压荷载也是一种三向荷载，在其作用下，结构变形如图15所示。可以看到结构二层设备箱体框支柱部位及灰斗内贴杆件局部发生了明显的内凹变形。

核查3轴到5轴间相连单体板单元应力云图16知，除了灰斗顶四角局部区域外，二层设备箱体四周板单元均处于受压状态。而由该单元内部钢构件轴力云图17知，内部构件基本处于受压状态。由于结构刚度分布特征所限，各榀钢架结构C和D轴柱顶被小幅度拉升，如图15(b)所示，相应轴线位置处底部钢柱受拉力作用，而外列A和F轴柱则处于受压状态。

图16 典型单体板单元应力云图

图17 典型单体钢结构轴力云图

4 应力比计算结果

建筑结构的荷载组合，一般分为抗震组合和非抗震组合。而对于除尘器设备，还要考虑工作组合和停机组合，前者包括负压荷载NPRESS和温度荷载T260，后者不包括。另外还要考虑灰斗内满灰荷载D2有无两种工况。因此，理论上存在8类组合。

应力比是对各种荷载组合下构件的效应设计值与构件抗力设计值比值的包络值(此处为最大值)的统称，其值应控制在1.0以下。对于二层设备箱体内构件，考虑到高温对强度的折减效应，应力比控制在0.75以下。限于篇幅，仅列主要构件应力比，见图18。

图18 主要构件应力比

5 变形核算

5.1波纹板在正常工作状态下的变形

对4 mm厚的波纹板在工作负压5 kPa及风荷载作用(按1 kPa计)下向设备箱体内部方向的局部凹陷变形进行计算，面外变形计算结果如图19所示。由结果可知，最大变形2.35 mm，为跨度2 400 mm的1/1 021，小于限值1/150，满足使用要求。

5.2风荷载作用下变形

由于结构在竖向刚度分布上呈现底层和顶层弱，中间层强的特征，且Y向迎风面积明显大于X向迎风面积，因此风荷载作用工况下变形主要核查除尘器钢结构在Y向风荷载作用下顶层刚架在Y方向层位移角。计算结果如图20所示，柱顶Y方向层位移约22 mm，小于4 000/150=26.7 mm，满足要求[6]。

图19 面外变形云图

图20 风荷载工况下变形云图

6 不足与展望

虽然二层设备箱体四周敷设了岩棉保温层，但是各钢构件，钢板内外侧依然存在一定的温度差，此温度差可供参考的具体值尚需要大量的测定。结构不同部位，温度会有一定幅度差异，从而导致结构温度应力的分布不同于本文单一温度工况下的温度应力分布。

此外，屋顶刚架构造做法参考了门式刚架的做法，但是经过计算，由于上下各层刚度中心与质量中心的不一，使得三层刚架结构易于出现不规则振型，设计时需要调整结构刚度分布特征。

[1] 杨建勋,张殿印.袋式除尘器设计指南[M].北京:机械工业出版社,2012.

[2] 赵振奇,潘永来.除尘器壳体钢结构设计[M].北京: 冶金工业出版社,2008.

[3] 谭巍.高温(火灾)条件下钢结构材料性能研究[J].工业建筑,2000,30(10): 61- 63

[4] 赵金城.高温下钢材力学性能的试验研究[J].北京:建筑结构,2000,30(4):26-28

[5] 吴凤林,任黎明.电除尘器本体结构的优化设计[J].太原理工大学学报,2000,31(3):263-266.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范：GB 50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.

Steelstructuredesignofdustcollectorwithslidingbearing

ZHOU Hai-tao1,HOU Guang-chao2,ZHAO Yong-cun2,TIAN Yuan2

(1.HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SINOMAEnvironmentalProtectionCo.Ltd.,Pingdingshan467036,China)

Special loads,special equipment requirements and complicated geometry shape are problems of dust collector design should solve.Combined with the design process of concrete with sliding bearing type dust remover steel frame project,this paper studies the simulation method of sliding bearing,expounds the deformation and internal force distribution characteristics of the structure under each special working condition,analyzes its force mechanism,and shows the stress ratio and the necessary deformation calculation results.

dust collector with sliding bearing; temperature load; negative pressure; full dust load; mechanical effect

2017-03-28

河南省科技攻关计划项目(172102210181)

周海涛(1979—)，男，宁夏中卫人，博士，讲师。

1674-7046(2017)03-0044-10

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.009

TU272

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