某深锥高效沉降槽上部桁架结构设计及计算分析

李善敏，吴道林，张晔，王培

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

氧化铝的生产是铝工业链中的重要一环，针对不同特点的铝土矿，氧化铝厂可采取不同的生产工艺。目前主要有拜耳法、碱石灰烧结法和拜耳-烧结联合法3 种。但无论是采用拜耳法还是烧结法，还是联合法生产氧化铝，赤泥的沉降分离是一个不可或缺且对后续流程有重要影响的环节。

沉降槽作为固液分离设备广泛应用于化工工业中，现代沉降理论，实验和生产实践证明，沉降槽性能的先进性与沉降槽高度密切相关，其规格大小与目标产能相关。在氧化铝生产流程中，沉降槽主要用于赤泥的分离、洗涤及沉降等，是液固分离用的重力沉降设备。一般来说，用于工业化生产的深锥高效沉降槽一般都具有直径大、高度高的几何特点，且须配备用于耙除沉降于底部物料的耙机装置。随着氧化铝生产技术的持续发展、设备装备水平的不断提高，深锥高效沉降槽设备的大型化作为氧化铝生产系列的大型化的关键支撑设备，可以有效地降低氧化铝厂的生产成本和工程投资，同时也可达到节能降耗、优化全厂技术经济指标的要求。

1 上部桁架结构方案设计

文献[1]指出氧化铝生产过程中，由于沉降分离操作上的各种失误，常出现沉降槽“跑浑”及“垮槽”等事故，造成极大的经济损失。近年来，高效深锥沉降槽在我国应用广泛，随着深锥高效沉降槽设备的大型化，其耙机系统自重及可承受的扭矩也越来越大，有必要对其上部桁架进行结构设计及计算分析，保证耙机系统的安全可靠性，确保不发生事故。

PKPM 结构系列软件是中国建筑科学研究院研制的，可以应用于建筑结构的建模、计算、绘图等，PKPM 结构系列软件采用人机交互方式，操作简单，功能强大，主要由PMCAD、STS、PK 等模块组成。钢桁架的计算分析也由原来的手算改为电算，PKPM 软件越来越广泛应用于钢桁架的计算分析中。

本文通过某新建氧化铝工程实例，对其在行业中首次采用的φ26m 深锥高效沉降槽（如图1 所示）上部桁架进行空间结构设计建模与计算分析。从该深锥高效沉降槽设计要求得出以下参数：沉降槽直径：26m，耙机重量：约50t，设计扭矩：3600kN·M。应用PKPM 结构系列软件对上部桁架结构进行方案设计。

图1 Φ26m 深锥高效沉降槽

2 上部桁架结构模型的建立与计算

首先进入结构系列软件PKPM 的PK 交互输入与优化计算输入桁架模型。可以采用快速建模或者网格生成来建立模型，其中各桁架杆件均以杆布置，本文模拟时忽略次弯矩将桁架节点视为铰接。桁架一般采用一端固定铰支座，一端滑动铰支座的两端简支进行设计。

2.1 载荷工况条件

根据此沉降槽设计要求，耙机总重约50t，可分为4 个节点来施加，每个节点力为125kN（Z 方向）；同时把扭矩3600kN·M 用Solidworks Simulation 计算转换为4 个节点的力（X 方向和Y 方向各4 个力）来施加，如图2 和图3 所示。

图2 上部桁架结构方案三维模型

图3 载荷图(单位KN)

2.2 桁架总重

模型建立好后，直接可读取各类截面钢杆件自重(t)，如表1。

表1

2.3 施加约束条件

上部桁架中角钢L140X14、L150X14、背对背角钢L140X14 组合构件为两端铰接，其余采用两端刚。

左侧底部两节点的约束条件：限制X、Y、Z 三个方向位移自由度。

右侧底部两节点的约束条件：限制Y、Z 两个方向位移自由度。

2.4 结构计算分析参数定义

根据前面建立的三维模型，施加的载荷及约束，接下来对其进行结构计算分析参数定义，根据该工程所在实地现场的条件，具体实施如图4、图5 所示。

图4 参数定义（一）

图5 参数定义（二）

3 计算结果及分析

3.1 桁架应力比

应力比其实就是效应/抗力，此值越低，设计安全储备就越高。此值越接近于1，越经济，但却不一定合理。因此钢桁架设计时，务必保证应力比小于1，但是也不能太小，太小就不经济，浪费资源。配筋包络和钢结构应力比图是试算截面合理性的一个依据。

因底面桁架应力比大于顶面桁架，所以从底面桁架应力比图6 可以看出，各应力比都小于1，所以满足要求。其中下弦杆处应力比最大。

图6 底面桁架应力比

3.2 桁架长细比

长细比即构件计算长度与构件截面回转半径的比值。按照钢结构设计规范要求，桁架受压杆件的长细比小于150，受拉杆件的长细比小于250。

因顶面桁架长细比大于底面桁架，所以从顶面桁架长细比图7 可以看出，此桁架设计满足长细比要求。

图7 顶面桁架长细比

3.3 位移结果

位移也是设计控制的一个指标，可以从活荷载作用下的位移图上找出节点的最大位移，验算最大位移是否满足钢结构规范中位移的限制要求。在活载荷下的位移图如图8、9、10 所示，可以看出，位移很小，满足设计要求。

图8 X 方向位移

图9 Y 方向位移

图10 Z 方向位移

4 结语

随着氧化铝产能的不断提高，为满足工业化生产的要求，沉降槽的性能是否能达标，结构是否经济合理，不仅将直接影响建设成本，也将直接影响产品质量和使用寿命。

结合实际工程，应用钢结构设计软件PKPM 对φ26m 深锥高效沉降槽上部桁架进行空间结构设计建模，并通过Solidworks Simulation计算将扭矩转换为4个节点的力，最后进行计算分析。通过分析结果可知，此沉降槽上部桁架结构的应力比、长细比、活载荷下的位移均满足设计要求，符合实际工况，保证了耙机系统的安全可靠性，通过生产实践验证，此深锥高效沉降槽已在多个工程项目上安全、高效运行。