混凝土攪拌站主樓失效分析與輕量化優化設計

郭政東

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引言

混凝土攪拌站安全性、可靠性及經濟性越來越受到重視[1]，攪拌站主樓質量在整機質量中的占比較大，約為 45%，承載相對較大，受力復雜，易發生應力集中現象[2]，需重點關注。趙順[3]和張偉超[4]基于靜態、動態性能及可靠性對攪拌站主樓設計進行了分析；高虎[5]利用ANSYS軟件對攪拌站機械結構進行了分析，并根據分析結果對結構進行了優化；吳慶勇等[6]在對攪拌站支腿結構進行仿真分析的基礎上，針對薄弱點進行了設計改進；劉鵬等[7]、羅剛等[8]、鐘祺等[9]利用有限元方法對排樁支護、通風系統、橋梁等進行了設計優化，取得較好的效果。

本文針對某混凝土攪拌站主樓支腿局部失效開裂問題及結構輕量化優化設計需求，利用ABAQUS軟件進行強度計算和約束狀態下的模態分析，研究主樓及關鍵連接件在極限荷載工況下的受力狀態，評估主樓在攪拌動態激振力作用下的共振風險。在此基礎上對主樓開展優化設計，提出結構優化方案，解決了支腿開裂問題，并實現了結構輕量化目標，主樓可靠性和經濟性得到提升。

1 主樓概況

某攪拌站主樓框架為鋼結構，自上而下分別為計量層、樓梯及護欄、攪拌層、支腿，如圖1所示，其中，計量層是支撐水泥、摻合料、液體添加劑和水計量系統及過渡料倉的樓層，樓梯及護欄是計量層與攪拌層的通道，攪拌層是支撐攪拌主機和相關機構的樓層，主樓及設備由底部支腿支撐。據設計人員反饋，該攪拌站主樓質量超過設計目標，影響產品經濟性，存在輕量化優化設計需求，且現場運營過程中，主樓斜撐吊耳附近的支腿存在開裂現象，嚴重危害結構可靠性。

圖1 主樓示意

2 有限元模型建立

利用有限元軟件ABAQUS建立主樓計算模型，如圖2所示，結構主體采用四邊形殼體單元模擬，固定支座、支架采用實體單元模擬，滑塊與臂架接觸局部采用實體單元模擬，銷軸采用梁單元模擬，油缸采用桿單元模擬。對開裂部位應力敏感區域網格進行細分，最小網格尺寸為2mm。根據文獻[10]，風荷載對主樓強度的影響有限，計算工況主要考慮結構、設備可能的極限質量。攪拌主機質量M1=21.8t，接料斗質量M2=10t，均利用質量單元近似替代，并通過自由度耦合與安裝位置進行固定，螺栓等關鍵裝配位置采用接觸方式模擬，在支腿底部設置固定約束。通過施加全局重力加速度模擬主樓及設備自重，并考慮1.2倍動荷載系數。

圖2 主樓有限元模型

3 計算結果與分析

3.1 主樓變形

極限荷載工況下主樓變形云圖如圖3所示。由圖3可知，主樓變形主要出現在計量層和攪拌層，其中計量層承載梁最大變形約為11.5mm，攪拌層承載梁最大變形約為8.1mm，可知主樓整體變形較小。

圖3 主樓變形云圖(單位：mm)

3.2 主樓應力

極限荷載工況下主樓應力云圖如圖4所示。由圖4可知，主樓最大應力為778MPa，位于底部支腿斜撐吊耳安裝螺桿上。由于螺桿采用梁單元模擬，計算結果偏大，且主樓最大應力小于螺栓屈服應力(900MPa)，為進一步分析支腿斜撐吊耳附近結構受力狀態，隱去螺栓，得到斜撐吊耳附近結構應力云圖，如圖5所示。由圖5可知，最大應力為517.029MPa，位于螺栓墊片上，其中吊耳底部與支腿連接位置存在應力較大(>200MPa)區域，該區域與現場裂紋位置一致，說明該處結構強度不滿足設計要求，易導致支腿失效。

圖4 主樓應力云圖(單位：MPa)

圖5 支腿斜撐吊耳附近應力云圖(單位：MPa)

3.3 主樓模態

混凝土攪拌過程中，攪拌電機帶動攪拌系統旋轉完成攪拌作業。攪拌電機及攪拌軸在轉動過程中，由于動力不平衡產生簡諧荷載，形成結構激振力。攪拌站主樓固有頻率(自振頻率)通常較低，當旋轉機械產生的簡諧激振力頻率與結構固有頻率重疊時，易誘發結構共振，導致結構破壞等嚴重后果。本攪拌站傳動系統由攪拌電機、連軸器、減速箱、攪拌軸等組成，攪拌電機輸入轉速為1 450r/min，經減速箱減速后，攪拌軸輸出轉速為24.3r/min。由動力不平衡產生的激振力頻率包括24.16，0.405Hz，是主要激振力；變速箱傳動異常產生的激振力較小，其對主樓振動的影響有限。

為評估攪拌系統運行過程中主樓共振情況，進行模態計算，得到主樓前六階模態頻率分別為1.8，2.8，3.2，4.5，6.2，6.6Hz，可知主樓在約束狀態下前六階模態頻率較低。前六階模態振型如圖6所示，由圖6可知，前四階表現為主樓整體模態，第五階表現為攪拌層模態，第六階表現為計量層模態。主樓低階固有模態頻率均避開了主要激振頻率，攪拌電機及攪拌軸轉動產生的簡諧激振力誘發主樓共振的風險較小。

圖6 主樓前六階模態振型

4 優化設計

4.1 支腿斜撐局部結構優化

主樓底部支腿斜撐吊耳附近結構薄弱，局部應力超過材料屈服強度是導致開裂的主要原因。由于主樓受力主要通過斜撐傳至支腿，易導致支腿與吊耳底部焊接位置出現應力集中現象。為此，針對該處結構薄弱點進行局部優化，在支腿外部包裹1層300mm高、200mm寬鋼板，將支腿局部結構厚度分別取為8，12，16，20mm。螺栓墊片、支腿開裂處最大應力如圖7所示，由圖7可知，增大支腿局部結構厚度對螺栓墊片最大應力的影響較小，但可顯著改善支腿開裂處受力狀態。因此，在支腿外部包裹1層300mm高、8mm厚、200mm寬鋼板進行強化，此時支腿局部結構厚度由12mm增至20mm，對應的斜撐吊耳附近結構應力云圖如圖8所示。由圖8可知，支腿局部結構優化后，螺栓墊片最大應力雖由517.029MPa增至534.6MPa，但支腿開裂處應力顯著降低，未出現應力較大(>200MPa)區域，滿足設計要求。

圖7 最大應力

圖8 支腿局部強化后斜撐吊耳附近結構應力云圖(單位：MPa)

4.2 參數優化

設計變量、目標函數和約束條件是優化設計數學模型基本要素，大部分優化問題可視為通過修改設計變量求解目標函數的極值問題。因此，建立數學模型時，一般將目標函數的求解表示為求極大值或極小值。

利用多學科參數優化軟件Isight建立主樓參數優化數學模型，根據主樓特點將主要框架結構分為5組，即將優化設計變量板厚分為X1～X5組，變量邊界值如表1所示，以支腿局部結構優化后螺栓墊片最大應力534MPa作為約束條件，以主樓質量最小化作為目標函數，對主樓進行參數優化分析。

表1 優化設計變量邊界值 mm

利用軟件自帶的多島遺傳算法進行試驗設計，完成60組設計樣本計算，通過后處理計算得到各設計變量對主樓質量和螺栓墊片最大應力的貢獻率，如表2所示。由表2可知，設計變量X1對主樓質量和螺栓墊片最大應力的貢獻率最大，設計變量X3貢獻率最小。

表2 設計變量貢獻率 %

基于60組設計樣本計算結果，采用神經網絡RBM模型構建主樓優化高精度快速預測模型。計算螺栓墊片最大應力時，預測模型與計算模型相關關系曲線如圖9所示，相關系數為0.926，表明預測模型與計算模型高度相關，預測模型可用于主樓設計優化。

圖9 預測模型與計算模型相關關系曲線

利用預測模型計算得到參數優化方案，X1～X5組板厚由原方案的8，5，8，8，8mm分別變為優化后的6，2，4.5，9，4mm；主樓質量由原方案的3.53t降至優化后的2.3t，降幅達34.8%，表明結構輕量化效果明顯；螺栓墊片最大應力由原方案的534MPa降至優化后的512MPa。

利用預測模型計算得到支腿斜撐吊耳附近應力云圖(隱去螺栓)，如圖10所示。由圖10可知，優化后的螺栓墊片最大應力降至512MPa，支腿開裂處應力降至100MPa左右，表明結構受力得到優化，滿足設計要求。

圖10 預測模型計算得到的支腿斜撐吊耳附近應力云圖(單位：MPa)

利用預測模型計算得到主樓前六階模態頻率由原方案的1.8，2.8，3.2，4.5，6.2，6.6Hz降至優化后的1.7，2.6，3.0，4.2，5.8，6.2Hz，降幅雖較小，但避開了主要激振頻率，發生共振的風險較小。

5 結語

本文針對攪拌站主樓局部結構失效開裂問題及結構輕量化優化設計需求，通過有限元分析及優化分析，得出以下結論。

1)主樓支腿與斜撐連接區域在極限荷載工況下的應力超過材料屈服強度，是導致該處出現失效開裂的主要原因。

2)在攪拌系統旋轉機械產生的簡諧激振力作用下，主樓產生共振的風險較小。

3)通過對主樓支腿裂紋附近局部結構進行優化，顯著降低支腿開裂處應力，滿足設計要求。

4)在局部結構優化的基礎上，對主樓框架結構進行參數優化，通過構建高精度快速預測模型，得到主樓框架結構優化方案，可在改善結構受力狀態且不影響結構剛度的情況下，實現34.8%的結構輕量化目標。