基于STAAD/Pro對工程項目中重要結構件的力學分析

馬愛霞 李曄 馬倩

摘要：本文根據作者工程實踐并以神華新疆某項目重要結構件變形問題和解決過程為例，通過STAAD/Pro分析結構受力，給出了一種比較準確的優化加固方法。

Abstract： Based on the author's engineering practice and taking the deformation problem and solution process of an important structural member of a project in Shenhua Xinjiang as an example， this paper analyzes the structural force through STAAD/Pro， and gives a more accurate optimization and reinforcement method.

關鍵詞：STAAD/Pro;機架鋼結構;結構分析

Key words： STAAD/Pro;frame steel structure;structural analysis

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0100-02

0? 引言

隨著國家對環保要求的重視提高，大型筒倉組的出現，在國內采用筒倉儲存散裝物料成為流行趨勢，與其相配套的多個倉頂卸料車被廣泛采用。作為卸料車的重要結構件機架，為了達到安全、經濟、合理、高效的設計目標，采用支持國際規范的并且被國際工程界認可的結構設計軟件進行結構設計必不可少。而卸料車的機架結構立柱橫梁數量較多，往往是超靜定的空間結構，手工計算比較繁瑣，為了準確快速的進行結構設計，借助有限元分析軟件獲取準確的構件型材是非常方便有效的途徑之一。

STAAD/Pro軟件是美國BENTLEY公司擁有知識產權的結構分析與設計軟件，支持平面、空間結構建模，在處理空間桿件和板殼模型上方便快捷，特別是針對立柱橫梁數量較多的機架結構受力復雜，計算時無規范和公式可依，軟件能夠得出結構突變處的應力集中情況，進而優化構件傳力和筋板布置，消除設計隱患。

1? 機架總計算原則

依照相關規范，采用許用應力法計算。規范規定，機架結構應進行強度、剛度和穩定的計算，并滿足規定的要求。計算時一般不考慮材料塑性影響，也不進行疲勞強度計算。結構按工作時的最大荷載情況進行強度、剛度和穩定性的計算。由于機架結構屬于空間框架，構件連接形式多樣使受力和傳力相對復雜，若采用手工計算簡化模型可能會導致結果出現較大誤差，另外須綜合考慮的組合工況數量較多，為了求得更為準確的結果，采用計算機有限元程序獲取構件的內力，再對關鍵部位進行校核。

2? 項目總基本數據資料

2.1 氣象特征與環境條件

歷年最高氣溫43.7℃（7月，2004），歷年最低氣溫

-39.2℃;最大相對濕度100%，最小相對濕度5%;年最大降水量365.3mm，年最小降水量138.5mm;最大積雪深度43cm，基本雪壓（50年一遇）0.9kN/m2;土壤最大凍深160cm（2月，1969）;最大風速（地面上層10m高處，10分鐘的平均風速）15.3m/s。

2.2 地震烈度

本地區根據《建設抗震設計規范》（GB50011—2010）和《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），該地區地震烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.212g，設計特征周期為0.40s，設計地震分組為第二組，場地土類別為Ⅲ類。

3? 機架結構計算結果

3.1 機架基本資料

機架能承受下述荷載，且強度、剛度和穩定性足夠：結構自重（包括設備及管道的荷載;機架鋼結構設計除考慮本身荷載外，還考慮頭部落料管及扶梯等的荷載）、物料重量、平臺上活荷載（按不低于400kg/m2考慮）、風荷載、地震的影響等。除承受上述載荷外，機架能承受頭部落料管下料引起的沖擊荷載等因素而增加的荷載（如圖1），優化加固后機架受力計算三維模型（如圖2）。

3.2 基本參數

皮帶寬度：1800mm;帶速：4.0m/s;輸送能力：4400t/h;卸料皮帶傾角：14°;機架上皮帶長：15.128m。

3.3 主要計算參數及載荷施加方式

皮帶自重：15.128*49.4=747.3（kg）;尾架上托輥組重量：114.8+114.8+150+688.8+114.2=1182.6（kg）;尾架上物料重量：4400*15.128/3600*4.0=4.62（t）=4620kg;？準800改向滾筒自重：3447kg;電纜卷筒自重：1.5t=1500kg;落料管總成重量：9363kg;70.1m平臺上所放設備重量：1.8+0.5+8+0.35≈10.65（t）=10650kg。

①尾架上皮帶自重、托輥組重、物料重、改向滾筒重、電纜卷筒自重等之和折算后重約：8200（kg）/2=4100（kg）=41000N 按集中力施加于與機架相連的2個鉸點處;落料管總成重量：9363/6=1560.5（kg）=15605N按集中力施加于與機架相連的6個支點處;機架70.1m平臺上所放設備重量：10.65/（4*2+2.19）=1.045（kg/mm）=10.45N/mm按均布載荷施加;機架本身自重已有軟件自動施加。②風載荷：由于設備處于室內，在此不考慮風載荷。③地震載荷：軟件根據加載抗震烈度、建筑場地類別等數據自動生成。④機架上各處荷載加載示意圖（圖3）。

3.4 計算結果

①選用型材截面特性如表1。

②機架受力具體分布情況（如圖4、圖5）。

根據軟件計算結果，構件應變圖中劃線處應變最大，通過計算可知優化加固前機架中此處最大應變值345.856mm，遠遠大于常規規定使用的許用應變值，不滿足使用要求。優化加固后機架中此處最大應變值1.273mm，遠小于常規規定使用的許用應變值，滿足使用要求。

根據軟件計算結果，構件應力圖中劃線處應力最大，具體應力云圖如圖6、圖7、圖8、圖9。

通過計算可知優化加固前機架中此處最大應力值155.4N/mm2，該機架所有型材材質均為Q235，許用應力值[б]=235/1.5=156.7MPa，微小于該材質的許用應力值，基本滿足使用要求，但此種情況我們一般不建議采用。優化加固后機架中最大應力值70.48N/mm2，該機架所有型材材質均為Q235，許用應力值[б]=235/1.5=156.7MPa，遠小于該材質的許用應力值，非常滿足使用要求。

4? 結束語

通過手工計算結合有限元分析軟件，可以很好的對實際工程運用中主要鋼結構受力情況有一個整體性把握，提高設計可靠性。同時，經筆者多次運用該軟件完成結構校核的結果來看，目前該有限元軟件計算已經非常成熟可靠，只要使用區域正確、力學概念清楚、模型正確，那么計算結果的精準性都能保證。并且由于軟件本身具有施加風、地震以及荷載組合和規范檢驗的便利性，可以有效的提高工作效率，該軟件已經逐漸成為我們工作中的得力工具之一。

參考文獻：

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