風管鋼支架在水泥廠結構中的設計分析

我國工業生產占國民經濟發展中的重要地位，為人民日常生活提供物質保障。現階段，國家工業發展水平與國民經濟、國家地位、綜合國際、科技領域等方面具有舉足輕重的作用。工業發展與基礎原材料的生產息息相關，水泥廠建設作為工業生產的一個重要環節，水泥廠風管作為傳輸介質的重要媒介，風管的設計能力是水泥廠生產能力的關鍵因素。目前，隨著水泥廠生產能力的提高，風管直徑逐漸增大，對風管支撐鋼架的要求也越來越高。現階段，我國風管剛支架計算模型和計算方法尚沒有成熟的體系，在水泥廠實際運行過程中，風管受力情況也受多種因素影響而發生變化，計算較為復雜。在設計工作中，需結合風管對支架的作用以及支架所受荷載作用的變化，分析選擇受力模型，并選定主要影響因素對模型進行簡化處理進行計算。

1 管道支架分類及鋼支架荷載計算

1.1 管道支架分類

按照風管安裝工程的不同，可將水泥廠鍋爐至沉降室之間的風管支撐分為固定支架和活動支架兩種類型。下面分別對兩種支架的特征進行分析:

(1)固定支架。固定支架結構如圖1所示。鍋爐和沉降室之間的熱風管道由膨脹節斷開，支座與管道中部位置焊接，支架所受壓力主要為自身重力、管道重力和支撐點與管道不對稱所產生的不平衡力矩。

圖1 固定支架結構

圖2 活動支架結構

(2)活動支架。活動支架結構如圖2所示。熱風管道與鍋爐和沉降室連接處與固定支座類似，通過膨脹節斷開，支座和管道支撐點焊接而成，但支座和支撐鋼架是可以活動的，支架需承受風管重力和活動產生的摩擦力影響。

2 鋼支架頂的荷載計算

計算鋼支架荷載量，首先構建鋼支架計算模型，將支架與管道連接處的荷載視為點荷載，輸入計算模型中，點荷載取值主要參考支架頂部所受豎向力和彎矩的作用，尤其支架本身截面小，所受到的風荷載作用可忽略不計。支架所受荷載作用主要為恒活荷載，即上部的風管的自重，其作用可視為節點荷載，若上部風管直接較大，還需考慮設備所受風荷載的影響，將風荷載對支架的作用，視為節點荷載，其作用點主要集中于柱頂，迎風面風荷載計算公式如下:

式中:us—風荷載體型系數;ux—風壓高度系數，具體數值參照建筑結構荷載規范內容;Wo—基本風壓;βz—高度為Z處的風振系數。

3 支架建模與計算

3.1 支架二維模型構建

(1)模型計算前，需對輸入數據進行處理，常用處理方法包括以下幾種:①活動支架的受力主要來自豎向力的作用，支架上部設備自重以及桿件產生的彎矩作用，一般選取工字鋼或槽鋼作為支架結構，按柱輸入;②腹桿受力情況通常表現為軸心受力，可選擇角鋼或者角鋼組合作為支架結構，桿件采用兩端鉸接的方式;③在檢驗模型設計時，選用《鋼結構設計規范》作為檢驗規范，具體方式為:支架采用四柱支撐時，榀支架間為垂直和水平支撐，可采用對兩榀建模進行建設，支柱長度以無側移情況發生為準，進行計算;當支架采用兩柱支撐時，柱長度需以發生側移進行計算。

(2)計算前需使用系統對支架進行優化，隨后點擊“結構計算”，計算機可對桿件內力、桿件強度、穩定性和變形量進行系統分析驗算。在對桿件進行驗算時，應注意:①檢查系統分析的節點位移圖、彎矩圖和軸力圖是否與實際情況相符合，如出現分析錯誤，需對輸入模型系統中的數據準確性進行檢查，查找異常發生的原因。②模型計算得出的應力圖能夠直觀反映出桿件的強度和穩定度是否符合設計要求。③系統中的超限信息文本內容，能夠幫助使用者快速查出不符合設計要求的項目，然后針對具體項目查看其詳細信息，并尋求解決方法。④需要查看風載作用節點位移變化情況，檢查風荷載產生的位移是否符合設計規范要求。

3.2 支架三維模型構建

首先需建立支架結構整體模型，使用SATWE、TAT軟件對模型進行三維數據分析計算，將計算結果進行節點設計，主要方法如下:(1)在系統中輸入模型，將CAD或PM鋼結構框架模型直接導入系統中;(2)利用PMSAP對模型整體和各構件進行分析計算;(3)對型鋼截面進行優化處理，計算并擋風系數。

4 施工圖設計及相關問題處理

4.1 支架施工圖設計

采用二維計算模型時可采用支架施工圖直接輸入系統進行分析處理，二維系統能夠將角鋼、工字鋼組成的立柱，雙角鋼、單槽鋼和雙槽鋼等結構所組成的腹桿結構圖進行自動繪制，程序能夠自動計算出支架焊縫、節點、填板和材料等類型和要求，自動繪制施工圖。支架所用材料中工字鋼可分為焊接工字鋼、熱軋普通工字鋼和H型鋼三種形式，腹桿的連接方式也包括多種，系統可以按照輸入條件進行刪選。但空間結構計算時不能自動繪制出施工圖，需要設計人員結合二維結果，繪制施工圖。

4.2 相關問題處理

(1)對模型計算結果進行分析可知，主受力件三維計算結果大于二維計算，可能由于支架自身風荷載偏大。利用PKPM程序進行計算，程序將支架側面默認為封墻，與實際情況不符，增大了風荷載的作用影響，因此計算數值偏大，導致桿件選型也偏大;(2)支架是主要受力結構，主要承受軸向力作用，支架系統內立柱為主要承重構件，各立柱間荷載較小，可根據結構要求，選取經濟合理的設計方案;(3)風管設計時，分管支座落在鋼支架頂端，風管荷載作用能夠均勻傳給連接處的鋼板，因此，提高連接處鋼板剛度，可以有效緩解支點位置在風管上不對稱引起的彎矩作用。建模過程中，可將風管荷載視為點作用力加在梁頂;(4)利用模型對支架分析結果可知，支架層高與總高度最佳比值在1/5-1/6之間，斜桿與豎向立柱間的夾角宜取45度;(5)根據上述模型計算結果，編制鋼支架計算說明書。

5 結語

綜上所述，本文主要得出以下結論:(1)水泥廠生產中支撐風管的鋼支架在熟料加工和余熱發電項目中使用非常廣泛。本文利用PKPM軟件對水泥廠風管支撐結構構建計算模型，并結合設計規范要求，進行桿件選型和數值計算;(2)在模型構建和計算過程中，應注意各構件間的相互影響，保障模型計算的準確性;(3)在傳統風管支架設計方法的基礎上，結合專業模型計算，優化和創新管道支架設計方法。