纤维板干燥系统设备风荷载下的钢支架性能研究

何阳

（湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，我国已成为全球人造板生产和消费的第一大国，2020 年我国人造板总产量已超过3 亿m3。我国人造板的主要品种有胶合板、纤维板和刨花板，三者约占我国人造板总量的90%以上[1]。

在纤维板的生产过程中干燥系统需要使用旋风分离器[2-4]将干燥后的纤维与烟气和水蒸气等分离。为了满足工艺需要和日益严苛的环保排放要求，使用两个一级旋风分离器和两个二级旋风分离器成为近年来纤维板生产线干燥系统的典型布置方式，而钢结构则是为旋风分离器等设备提供支撑的主要方式。

对设备进行计算流体力学（CFD）分析，可以获得设备附近的流场分布情况，进而得到涉设备外表面的压力分布信息。本文通过将计算流体力学分析得到的设备压力分布信息传递至结构静力学分析软件，实现不同风载条件下钢支架的受力与变形行为的有效预测。

1 CFD 分析设置

图1 旋风分离器及钢支架的俯视图

本研究中，风向角θ 的取值包括了41°、90°、180°、139°和221°这5 种情况。

为了尽可能地覆盖各种不同地区和不同气候条件，本研究统计过往工程情况并根据《建筑结构荷载规范》[5]，选取了3 个常见基本风压，分别是0.3kN/m2、0.45kN/m2、0.75kN/m2；以及1 个《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）给定的最大基本风压1.85kN/m2，并分别命名为“低风压”“中风压”“高风压”和“极高风压”。并采取指数律作为风速剖面的表达式。

式中：vz和v10分别为距离地面高度为z 和10m 处的风速值，α—与地面粗糙度有关的系数，由于本研究仅考虑B 类地面粗糙度，所以α 的值取0.15。

将本研究中风向角和基本风压等级进行排列组合，一共包括了20 种不同的计算工况。

2 不同工况下钢支架的受力与变形

选取最为极端的极高压力等级，依次研究不同风向角下钢支架的总变形、等效应力和支反力等受力与变形行为。

本研究关于钢支架的设计方案，采用第四强度理论进行钢支架强度的大致校核，Q235 低碳钢的屈服强度取235MPa。

极高风压等级下，当风向角θ 分别取θ=41°、θ=90°、θ=180°、θ=221°和θ=270°时，利用ANSYS Workbench 软件平台的ANSYS Mechanial 模块计算得到的结构静力学分析结果。

极高风压等级下，当风向角θ 不同值时，钢支架的受力和变形行为出现较大的差异。其中，就总变形分布而言，当风向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°时，钢支架沿水平坐标轴的轴向出现较大的位移，风向角θ=270°时位移最大，对应的位移值高达34.5mm；而当风向角θ取θ=41°和θ=221°时，钢支架的位移量相对较小，二者各自的最大位移值分别为7.6mm 和8.1mm。与此对应的，当风向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°时，钢支架的等效应力水平也相对较高，各自的最大等效应力值分别达到了125.4MPa、164.0MPa 和135.9MPa，但是均明显小于Q235 低碳钢材料对应的235MPa 屈服极限。故本研究中钢支架的强度水平相对较高。而当风向角θ 取θ=41°和θ=221°时，钢支架的等效应力水平相对较低，这两种风向角下对应的最大等效应力值均控制在100MPa 以内。此外，由于风向角的不同，支反力的指向也各不相同，但各种风向角下，支反力的指向均体现出沿竖直向上方向略微偏移的特征。

3 不同工况下钢支架的受力与变形量的比较

3.1 支反力

将全部计算工况下钢支架基座所受支反力进行统计。其结果表明，不论风向角θ 和风压等级处于何种取值，各种计算工况下总支反力的大小均在5250kN 左右，且其三个方向的分量均以Y 方向为主。设备及其钢支架的总重力与各种工况下的总支反力大致相当。这说明钢支架所受的支反力以抵抗设备及钢支架自身的重力为主，用于抵抗风载荷的支反力相对重力来说很小。

3.2 变形量与最大等效应力

除了支反力外，不同风载工况对钢支架的影响还集中地体现为钢支架的最大变形量和最大等效应力值。在不同工况下，钢支架的总变形量呈现出较大的差异，不但数值的大小不同，而且方向也取决于各自工况的风向角。

将不同工况下的总变形量绘制成柱状图，如图2所示。图2 中可以明显看出，当空气沿轴向吹向设备时（即风向角θ=90°、180°或270°时），钢支架的最大变形量显著高于空气沿对角线方向吹向设备的情况（即风向角θ=41°或221°时）。同时，当空气沿轴向吹向设备时，钢支架的最大变形量随着风压等级的降低而明显下降；但是当空气沿对角线方向吹向设备时，不同风压等级下钢支架的最大变形量差别不大。根据流体力学分析的研究结果，当空气沿对角线方向吹向设备时（即风向角θ=41°或221°时），作用在旋风分离器上的风载总压力较大；但是根据结构静力学分析的结果，这种风向角下钢支架的最大变形量却显著低于空气沿轴线吹向旋风分离器的情况（即风向角θ=90°、180°或270°时）。这是因为在对角线方向钢支架的刚度较大，其抵抗变形的能力也显著高于轴向方向。

图2 不同风载工况下钢支架的最大总变形量的比较

对不同工况下钢支架的最大等效应力进行统计，绘制柱状图，如图3 所示。图3 的分布趋势和图2 较为类似，当空气沿轴向吹向设备时（即风向角θ=90°、180°或270°时），钢支架的最大等效应力值高于其他风向角的情况，但是不同风向角下的最大等效应力的相对差别不大。最大等效应力值为164MPa，出现在风向角θ=180°、风压为极高风压等级的工况下。

图3 不同风载工况下钢支架最大等效应力的比较

3.3 两种典型工况下钢支架各方向变形分布

为了更进一步地探究不同风向角下钢支架变形量的差别，以极高风压等级为例，分别选取风向角θ=180°和风向角θ=221°这两种情况，将各自情况下钢支架X方向、Y 方向和Z 方向的变形分布云图绘制于图4 和图5 中。

图4 中，由于风向角θ=180°时，空气从X 轴正方向吹向X 轴负方向，在设备压差作用下钢支架整体朝着X 轴负方向出现了很大的位移，最大位移量接近30mm，出现在钢支架的顶部；而受X 方向大变形的影响以及整体上风压的不对称分布，Y 方向和Z 方向也出现了一定的位移量，这两个方向的最大位移值分别达到了9.4mm 和6.5mm。

图4 极高风压等级时风向角θ=180°下钢支架各方向的变形分布

图5 中，当风向角θ=221°时，空气沿对角线方向吹向钢支架，尽管这种风向角下空气流动方向的设备投影面积较大，风载总压力也很高，但是由于对角线方向钢支架的刚度很大，这种情况下钢支架的位移量相对较小，Y 方向的最大位移值为7.9mm，而X 方向和Z 方向的最大位移值仅分别为3.6mm 和3.2mm，显著低于风向角θ=180°的情况。

图5 极高风压等级时风向角θ=221°下钢支架各方向的变形分布

4 结语

（1）从受力来看，由于钢支架自身重力远大于设备传递风载的作用力，故不论风向角θ 和风压等级处于何种取值，各种计算工况下总支反力的大小均在5250kN 左右，且其分量均以竖直方向为主。

（2）从变形量来看，当空气沿轴向吹向设备时，钢支架的最大变形量相对较高，出现在风向角θ=270°、极高风压等级的工况，最大变形量的计算值随着风压等级的降低而明显下降；但是当空气沿对角线方向吹向设备时，不同风压等级下钢支架的最大变形量差别不大。

（3）从最大等效应力来看，当空气沿轴向吹向旋风分离器时，钢支架的最大等效应力相对较高，出现在风向角θ=180°、风压为极高风压等级的工况，且最大等效应力的计算值随着风压等级的降低而明显下降；但是当空气沿对角线方向吹向设备时，不同风压等级下钢支架的最大等效应力差别不大。所有工况下的最大等效应力值均明显小于钢材的屈服强度值，且等效应力较高的区域十分有限，故钢支架的屈服失效风险较小。

从整体来看，钢支架整体结构形式具有较高的抗侧刚度，抗风能力较强，在设计中调整构件截面和材料强度能较明显的提高设计经济性。