基于ANSYS的某煤矿皮带走廊变形浅析

2020-10-15刘陈

四川建材 2020年9期

刘陈

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 前言

20世纪70年代，我国的煤电产业迅速发展，因而建造了大批的钢桁架皮带运输走廊。钢桁架皮带走廊由于自重较轻，施工方便，整体性好等优点，在当时的煤矿皮带走廊中得到大量的应用[1]。但是由于矿区环境十分的恶劣和使用期间的维护不当，导致钢桁架的杆件和节点腐蚀严重，构件的承载力下降，严重影响着生产运输的安全。

本文主要通过ANSYS数值模拟软件，对朱仙庄煤矿钢桁架皮带走廊在外荷载作用下的变形进行分析，通过分析结构的位移和内力得出危险的截面和节点，根据分析的结果提出一些切实可行的加固维护建议。

1 工程概况

本工程皮带走廊位于安徽省朱仙庄矿区的中心地带，为钢桁架栈桥结构。钢桁架栈桥内部设有皮带运输机，皮带长60 m，倾角15°。皮带走廊为跨度30 m的钢结构桁架，断面尺寸为3.2×2.5(m)。采用平行弦桁架人字式腹杆体系。桁架的杆件都为角钢对焊。角钢的规格有L130×80×10、L85×8和L65×6等。钢桁架的上弦杆和下弦杆采用的角钢都为L130×80×10，腹杆有两种规格，一种为L85×8；另外一种为L65×6。钢桁架皮带走廊由一个四肢钢筋混凝土框架柱和一个圆柱形煤仓支撑。底板一侧为皮带走廊，另外一侧为混凝土台阶。顶部和侧板内侧为钢筋混凝土挂板，外侧为彩钢维护。钢桁架由于常年受天气和矿区条件的影响，钢桁架的上弦和下弦包括腹杆都出现了较为明显的腐蚀情况。在常年处于这种不利条件下，钢桁架的结构安全性出现下降，给矿区的生产安全带来严重影响。为此，本文采用ANSYS数值模拟软件对该钢桁架进行简化模拟，通过简化模拟的结果分析桁架变形情况，并给出加固建议。

2 钢桁架有限元模拟

本文采用ANSYS数值模拟软件对该钢桁架皮带走廊进行简化模拟。钢桁架可以定义为惯性矩很大的梁[2]，计算简图如图1所示。钢桁架中的结点均为铰结点，为了约束钢桁架两端节点的自由度，假设梁左端为固定铰支座，右端为滑动铰支座。桁架中的钢架采用beam4单元进行模拟，底板用shell63单元进行模拟。桁架的上弦和下弦用数值①表示，采用的是L130×80×10型角钢，桁架最右端腹杆用数值③表示，采用的是L85×8型角钢，其余腹杆和上弦横向连接梁用数值②表示，采用的是L65×6型角钢。模型外荷载施加时忽略风荷载所产生的影响，只考虑竖向荷载对钢桁架产生的影响。取最不利的荷载组合，将横载和活载分别施加到上下弦节点上。具体的ANSYS的建模模型如图2所示。

图1 钢桁架计算简图

图2 钢桁架有限元模拟图

3 有限元模拟结果分析

通过对钢桁架模拟分析，分别得到了钢桁架在外荷载作用下的变形图，各节点位移图和结构中各杆件的内力图。

结构的变形图如图3所示，从图3可以看到钢桁架发生了向下的弯曲变形，这是由于长期受竖向荷载作用所导致的变形。

图3 钢桁架结构变形图

结构中各节点总的位移如图4所示，从图4可以看到钢桁架在外力作用下了发生了比较大的位移，跨中节点产生了最大的位移，位移值达到了106.104 mm。从跨中向钢桁架两端构件中各节点的位移值逐渐降低。由于在钢桁架的跨中位置产生了最大的位移，因此，危险截面和危险点都处于钢桁架的跨中位置。

图4 钢桁架结构节点位移图(单位：m)

本文中钢桁架的跨度为30 000 mm,根据规范钢结构桁架的挠度允许值为60 mm,实际模拟中最大位移值为106.104 mm>60 mm，超过了最大允许的挠度值，因此，需要对钢桁架进行进一步加固。

结构中各杆件的轴力图如图5所示。从图5可以看到钢桁架上弦杆的内力较大，主要受压，下弦杆和腹杆的内力较小，有受压也有受拉。从内力图中可以看出上弦杆承受着较大的内力。

图5 钢桁架结构轴力图

通过以上有限元数值模拟分析可以看出，钢桁架在外力作用下发生弯曲变形，此外，钢桁架节点的位移和内力的最大值都发生跨中位置，并由跨中向两侧逐渐降低。因此可以得出结论，结构的危险点和危险截面都处在结构的跨中位置，并且结构节点最大位移值超出规定的范围，所以需要对钢桁架进行进一步的加固，特别是结构的跨中位置需要重点防护。本文将根据数值模拟的结果提出几条加固的可行性建议。

4 钢桁架加固建议

通过以上有限元分析可知，钢桁架跨中位置是受力和变形最大的地方，也是亟需重点加固的地方。目前对钢桁架加固的方法主要有三种：①减轻竖向荷载；②改变传力途径；③加大原构件截面面积和强度。由于第三种方法比较费时费力，所以本文推荐第一种和第二种方法相结合的方法。

对于第一种减轻竖向荷载的方法，可以将原有较重的构件换成材质较轻的构件。例如将顶板和侧板钢筋混凝土挂板改成轻型彩钢面板，将底板右侧的混凝土台阶改成钢制台阶或者其他轻质台阶。

对于第二种改变传力途径的方法，在前面模拟中可以看到钢桁架跨中内力和位移都是最大的。钢桁架跨中杆件和楼面板都发生了较大的位移，为了降低荷载对楼面板的作用保证结构安全，可以在楼面板下弦各腹杆处安装一横向连接梁[3]，这样上部的荷载就不会直接作用到楼面，而是传递到横向连接梁上，再由横向连接梁传递到钢桁架上以此降低对楼面板的影响。此外，为了降低桁架的变形量，可以在钢桁架跨中位置增加一座钢支架，这样上部的荷载就会由三个支座来承受，以此降低跨中位置杆件的变形量。