大型空分设备冷箱的钢结构应力计算分析.pdf

大型空分设备冷箱的钢结构应力计算分析 姜 招 春 杭州杭 氧股 份有限公司设计院 ，浙江省杭州 市东新路 3 8 8号 3 1 0 0 0 4 摘要介绍 了4 8 0 0 0 m ／ h空分设备冷箱所受主要栽荷 殊光砂 、风载荷和地震栽荷的计算， 分析 了冷箱钢结构 中的关键部位在组合应力作用下的受力情况及取材。 关键 词 大型 空分设 备 ；冷 箱 ；基 本风 压 ；钢 结构 ；应 力分 析 中图分类 号 T B 6 5 7 9 文献标 识 码 A Co mp u t a t i o n a n d a n a l y s i s o f s t e e l s t r u c t u r e ’ S s t r e s s i n c o l d b o x f o r a l a r g e s c a l e a i r s e p a r a t i o n u n i t J i a n g Z h a o c h u n D e s i g n i n g J m e ， H a n g z h o u Ha n g y a n g S t o c k C o ． ， L t d ， 3 8 8 D o n g x i n f ， H a n g z h o u 3 1 0 0 0 4， Z h e j i a n g，P ． R C h i n a Abs t r a c t Ma i n l o a d s，s u c h a s p e r l i t e，wi n d l o a d a n d e a r t h q u a k e l o a d，i n t h e c o l d b o x o f a 4 8 0 0 0 m3 ／ h a i r s e p a r a t i o n u n i t i s c o mp u t e d．Co mb i n e d s t r e s s a t t h e p i v o t a l s e c t i o n o f c o l d b o x ’ S s t e e l s t r u c t u r e i s a l s o an a l y z e d，f o l l o we d b y a d i s c u s s i o n o f ma t e r i a l s e l e c t i o n． Ke y wo r d s L ar g e s c ale a i r s e p a r a t i o n u n i t ；Co l d b o x；Ba s i c win d p r e s s u r e；S t e e l s t ruc t u r e；S t res s a n aly s i s 1 大型空分设备冷箱钢结构设计的必要性 随着我国冶金 、化工等工业的飞速发展 ，为其 提供气体产品的空分设备规模也 日益大型化 ，空分 设备冷箱也在不断向更大、更高发展 ；并且我国空 分设备制造企业与 国外 企业合作 的项 目也不 断增 多 ，因此对冷箱钢结构的设计质量和水平提出了更 高的要求。 空分设备冷箱作为一个壳体 ，不仅对各种低温 容器起 到保温作用 ，同时也是各种外部操作元件 的 载体 ，是冷箱 内管道 支架及一些 重要容器 的支撑 物，空分设备冷箱的合理结构和强度对空分设备 的 正常运行起到很重要 的作用。 现以杭氧生产的中石化 4 8 0 0 0 r n 3 ／ h空分设备为 例 ，来介绍大型空分设备冷箱 的钢结构应力计算。 2 载荷计算的重点 在钢结构 的设计及校核 中，杭 氧均采用 了 G B 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 钢结 构设计规 范标准要求。这个 规范对钢结构设计提出 了更细致、更严格的要求 ， 规定承重结构的钢材 ，根据结构的重要性、载荷特 征 、连接方法和工作温度等不同情况选择其钢号和 材质 ；还应从工程实际情况出发，合理选用材料 、 结构方案和构造措施 ，满足在运输 、安装和使用过 程中的强度 、稳定性和刚度要求。 2． 1 珠光砂载荷的计算 4 8 0 0 0 m 3 ／ h空分设备冷箱高度达 到了 6 2 m，冷 箱基础 的长宽分别达到 了 1 9 ． 5 m和 1 6 ． 5 m 。在冷箱 内充满 了珠光砂 ，此时冷箱受到了一个强大的向外 扩张的力。垂直作用在冷箱表面上的力 ，应按下式 计算 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 6 ． 2 3 ；修 回日期 2 0 0 6 ． 0 8 ． 2 5 作者简介 姜招春 1 9 7 1 一 ，女 ，浙 江工业 大学计算机与科学技术 专业 毕业 ，现在杭 氧设计院从事 冷箱 的应 力分析 及 结构设计 工作。 42 维普资讯 Fh 1 ． 5 RP 式 中F 珠光砂垂直作用在冷箱表面上的力 ； R 珠 光砂 堆积 密度 ，7 0 k g ／ m 3 ； P水力半径A ／ u ， 由冷箱 的 内部 面 积 A、 内部 周 长 U来决 定 。 由此可见 ，F 的大小取决于冷箱体积的大小 ， 体积越大 也越大。 2． 2风载荷的计算 大型空分设备多建造于空旷的田野及房屋稀疏 的郊 区，风力影 响很大 ，随着冷 箱高度 的不断增 加 ，风速随之增大。 目前大型空分设备冷箱高度大 多已达到 了 5 0 6 0 m，风载荷对整个框架结 构的影 响已不容忽略。 垂直冷箱表面上的风载荷标准值应按下式计算 I V k p I V 。 式 中 风载荷标准值 ； z高度处的风振系数； 风压高度变化系数 ； 风载荷体型系数； 基 本 风压 。 2 ． 2 ． 1 基 本风 压 的确 定 基本风压 应按 国家有关规范 全 国基本 风压分布图的规定 采用 ，但不得小 于 0 ． 2 5 k N ／ m 2 。 对 于高层建筑 ，其基本风压应按规范规定 的基本风 压值乘以系数 1 ． 1 后采用 ，对 于一些重要结构 ， 其基本风压值也可酌情提高。基本风压也可按 。 口。2 ／ 1 6 0 0来确定 口 。 为平坦地 面离地 1 0 m高统 计所得的 3 0年一 遇平均最大风速 ， n ／ s 。根据用 户提供 的资料 ，经过计算得到 4 8 0 0 0 m 3 ／ h空分设备 冷 箱 的基本 风压 为 0 ． 4 5 k N ／ m 2 。 2 ． 2 ． 2风 压 高度 变化 系数 风压高度变化系数 应根据地面粗糙度类 别来确定 。地面粗糙度有 A、B 、C 3类 A类指近 海面、海岛 、海岸及沙漠地 区；B类是指 田野、乡 村及房屋较为稀少的中小城镇或城郊 ；C类为密集 建筑的城区。4 8 0 0 0 m 3 ／ h空分设备冷箱 的风压高度 变化系数见表 1 。 表 1 4 8 0 0 0 m。 ／ h空分设备冷箱 的风压 高度变化 系数 。 注 地面粗糙度为 B类。 2 ． 2 ． 3 风 载荷 体 型 系数 风载荷体型系数 。 由冷箱 的外形来决定 。 一 0 ． 4 8 0 ． 0 3 H ／ B 式中日建筑物总高度 ； B建筑物迎风面高度 。 2 ． 3风 振 系数 对 于高度大于 3 0 m且高宽 比大于 1 ． 5的建筑 以 及 自振周期 大于 0 ． 2 5秒 的高层结 构，应采用风振 系数 来 考虑风压脉 动的影响。p 所要 考虑 的因素较多 ，也就是它所受影响的因素较多。 t 1 针 t ， l上 I 式 中 脉动增大系数； y脉动影响系数 ； 振型系数。 脉动增大系数与建筑物的 自振周期、地面粗糙 度有关 。4 8 0 0 0 m 3 ／ h空分设备冷箱 比较高但结构规 则 ，其 中一些数据也可以从规范中获得 ，如振型系 数 见表 2 。 表 2 4 8 0 fl 1 。 ／ h空分设备冷箱振型 系数 相对高度 O ． 1 O ． 2 O ． 3 O ． 4 O ． 5 O ． 6 O． 0 2 0． 0 7 O． 1 5 O． 2 4 O． 3 5 0． 4 8 综合 以上各个 因素，4 8 0 0 0 m ／ h空分设 备冷箱 所受风力影响的计算结果见表 3 。 表 3 风载荷标 准值 离地面或海平面高度／ m 5 l O l 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 迎风面 ／ N ／ m 2 2 1 3 2 8 5 3 2 5 4 O 5 5 2 5 6 6 o 8 3 5 l O 2 0 侧风面 ／ N ／ m 2 一1 5 2 2 1 0 2 3 6 3 o 3 3 8 3 4 9 5 8 3 5 9 6 1 背风面 ／ N ／ m 2 一1 6 2 2 2 4 2 5 l 一3 2 3 4 O 6 5 2 6 6 6 5 8 l 3 整个框架在风载荷的作用下结构顶部节点最大 位移 s为 1 0 m m H／ 5 0 0 日 为框 架 结构 总高 ， 6 2 m ，层间相对位移也都控 制在了 H 。 ／ 4 0 0 日。 为 层 间结构高度 之内，所 以整个结构在风荷载作用 下符合稳定性要求 。 2 ． 3 地震载荷的计算 杭氧采用动力方法计算质点体系地震反应 ，建 立反应谱 ，再用加速度反应谱计算结构的最大惯性 力将其作为结构的等效地震载荷，然后按静力方法 进行结构计算。反应谱法是一种模拟静力方法，以 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范为依据。 4 3 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 2 、 3 ． 1 反 应谱 曲线 的定 义 地震反应谱 曲线是 以地震影 响系数 曲线的形式 给出的。建筑物 的地震影 响系数应根据地震烈度 、 结构 自振周期等来计算 ，如 图 1 所示 。按照最新抗 震规范的规定 ，钢结构在多遇地震下的阻尼比，对 不超过 1 2层 的钢结构可选用 0 ． 0 3 5 ，对超 过 1 2层 的钢结构 可选 用 0 ． 0 5 ；在 对 罕遇地 震 的分析 时 ， 阻 尼 比也 可选 用 0 ． 0 5 。 5T g 6 ．0 结构 自振周期r ／ s 图 1 地震影响 系数 曲线 一 地震影响系数最大值 一结构 自振周期 一 特征周期 根据近震 、远震 和场地类别来决定 2 ． 3 ． 2 等 效重 力质 量分 布 的确 定 计算地震作用时，建筑的重力载荷代表值应取 结构和配件 自重标准值之和 ，若有可变载荷 ，则各 可变载荷乘以相应的系数 ，再进行组合 。在反应谱 分析中，结构的等效质量分布以载荷形式给出，即 载荷值代表结构 的等效质量值 。 3 主冷箱与板式冷 箱承 重梁的分析及计算 在 4 8 0 0 0 m 3 ／ h空分设备整个冷箱钢结构 当中， 主冷箱与板式冷箱承重梁是受力最大的部位 ，它不 仅承受很大一部分冷箱 自重 ，而且是主换热器的支 撑支架 ；且在空分设备运行时这一部位的温度达到 了 一I O 0 C以下。针对这一情况 ，主冷箱与板式冷 箱承重梁的材质都采用 了低温不锈钢 0 C r l 8 N i 9 ， 以防在低 温下 产生 变形 破坏 整个 结 构 。为 了确保 安 全 ，对此处的结构做了专门的受力分析。分析得 出 此处结构的应力分布均匀 ，且扰度控制在了很小的 范围之内 如 图 2 、3所示 ，其稳定性和强度均符 合要求。 4 结 束语 在空分设备 中，冷箱除了要承受 自身巨大的 自 重 、部分容器 的质 量外 ，还 有珠光 砂载荷 、风载 4 4 荷 、地震 载荷和雪 载荷。在 这些 载荷 的共 同作用 下 ，整个冷箱钢结构的受力分析会非常复杂 ，仅仅 、 ll ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ‘ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ l L 图 2 主冷箱与板式冷箱承重梁应 力图 - 1 ． 4 6 8 图 3 主冷 箱与板式冷箱承重 梁最 大位移图 用简单的手工计算已不能满足设计 的需要。为保证 大型空分设备的设计质量和水平 ，很有必要利用计 算机对冷 箱钢结构进行整体 的强度计算 和应力分 析 ，选择合理的型钢规格 ，为冷箱钢结构整体的设 计及改进提供可靠的理论依据。 杭氧采用 了美 国 S T A D D ／ C H I N A结 构设计与分 析软件 ，经过建模 、加载和分析 ，对框架结构进行 静力、动力和线性等响应特征的分析 ，设定合理载 荷工况 ，完成复杂的载荷组合。通过对整个建筑物 仿真计算 ，找到最不利载荷位置 ，把整个分析得到 的结果作为局部分析的边界条件 ，以准确描述关键 部位或危险截面上的应力场及位移场。今后杭氧还 将更加重视软件的开发应用 ，充分发挥软、硬件相 结合的作用 ，为用户提供质量可靠 、技术最优的空 分设备。 参考文献 [ 1 ]陈基发，沙志国．建筑结构荷载设计手册 [ M] ．3版 北京 中国建筑 工业 出版社 ，2 0 0 4 8 9 1 1 1 ． [ 2 ]G B 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 钢结构设计规 范 [ S ] ． [ 3 ]G B 5 0 0 1 1 --2 0 0 1 建筑抗震设计 规范 [ s ] ． 维普资讯