水梁與立柱的受力狀態(tài)分析

水梁與立柱的受力狀態(tài)分析

1水梁、立柱橫向穩(wěn)定性眾所周知，梁和立柱是漸進(jìn)梁加熱爐的主要承載環(huán)節(jié)。鋼圈位于梁上，立柱將力傳遞給移動(dòng)框架。與推鋼式爐不同的是,每根水梁、立柱雖然在縱向上是一個(gè)桁架結(jié)構(gòu),但在橫向上是各自獨(dú)立的。因此,水梁、立柱的橫向穩(wěn)定是設(shè)計(jì)者首要考慮的課題,尤其是我國(guó)的許多鋼鐵廠都處于地震帶或地震影響區(qū),這就更引起我們的注意。目前立柱的計(jì)算方法大致有兩種:精確計(jì)算法和估算法,本文將對(duì)這兩種方法作出介紹,并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果作出比較,供大家在以后設(shè)計(jì)中參考。2架式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)水梁、立柱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。從圖上不難看出,縱向上水梁、立柱1(2)和爐底框架移動(dòng)框架組成桁架式結(jié)構(gòu)而在橫向上則為一端嵌固、一端自由的受壓桿件,立柱與水梁以及立柱與框架的連接均采用焊接結(jié)構(gòu)。爐內(nèi)的固定水梁、立柱只是支撐坯料,固定在爐底鋼結(jié)構(gòu)上不動(dòng)。因此立柱的受力比較簡(jiǎn)單,而活動(dòng)水梁與立柱不僅支撐鋼坯,而且要搬運(yùn)鋼坯,所以它的受力比較復(fù)雜。下面分別對(duì)立柱的兩種計(jì)算方法作詳細(xì)說(shuō)明。3活動(dòng)立柱的受力分析3.1立柱受力狀態(tài)分析固定立柱的受力狀態(tài)見(jiàn)圖2,作用于固定立柱上的力有:a)水梁受熱膨脹對(duì)立柱形成的縱向(X方向)水平力;b)坯料作用力N(正壓力);c)坯料受熱膨脹而形成的橫向(Y方向)水平力;d)地震產(chǎn)生的水平推力。3.1.2活動(dòng)立柱的受力分析活動(dòng)立柱的受力狀態(tài)見(jiàn)圖3,作用在活動(dòng)立柱上的力有:a)水梁受熱膨脹對(duì)立柱產(chǎn)生的縱向(X方向)水平力:b)由于移動(dòng)框架在起動(dòng)和停止時(shí)產(chǎn)生的加速(或減速)形成的水平?jīng)_擊力作用;c)坯料的正壓力N;d)坯料因受熱膨脹而產(chǎn)生的橫向(Y方向)水平力;e)因地震影響而產(chǎn)生的水平推力。從立柱的受力情況看除地震力和因坯料熱膨脹而引起的橫向(Y方向)水平力是短時(shí)間的作用力外,其它作用力則是經(jīng)?；蜷L(zhǎng)時(shí)間的作用力。而坯料熱膨脹產(chǎn)生的側(cè)向水平推力,當(dāng)活動(dòng)梁將坯料從固定梁上取走或放回到固定梁時(shí),這個(gè)力就消失了,因而在計(jì)算瞬時(shí)應(yīng)力時(shí)僅計(jì)算地震力的影響。3.2水平?jīng)_擊力的計(jì)算在對(duì)立柱受力分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)坯料的受力情況應(yīng)采用相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算式,在計(jì)算上,凡是固定立柱和活動(dòng)立柱上相同的受力其計(jì)算方法和公式都相同。立柱計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4,圖中:Ps—鋼坯對(duì)立柱產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力;Pbe—水梁自重對(duì)立柱產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力;Pps—立柱自重產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力;Hs、Hbe、Hps—各水平?jīng)_擊力到立柱計(jì)算點(diǎn)的高度。以各水平力的作用點(diǎn)到立柱計(jì)算點(diǎn)的尺寸為計(jì)算高度,則立柱計(jì)算點(diǎn)的彎矩為:立柱計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力為:式中:W—立柱的截面系數(shù),cm3。下面分別介紹每種受力的詳細(xì)計(jì)算方法:3.2.1冷態(tài)邊界時(shí)立柱應(yīng)力釋放的計(jì)算水梁因受熱膨脹而產(chǎn)生的縱向水平力與梁的承受載荷無(wú)關(guān),只與柱的縱向間距及其間梁的長(zhǎng)度有關(guān)。理論上,冷態(tài)時(shí)立柱的預(yù)應(yīng)力在熱態(tài)時(shí)應(yīng)全部釋放,但實(shí)際上,由于存在冷態(tài)安裝精度的誤差和熱態(tài)冷預(yù)彎的殘余,因此,我們?cè)谟?jì)算立柱變形量f時(shí),按立柱熱態(tài)柱端位移仍有冷態(tài)的1/2考慮,其計(jì)算公式為:式中:e1—計(jì)算點(diǎn)的作用應(yīng)力,kg/cm2。3.2.2水梁和立柱的質(zhì)量大小由移動(dòng)框架運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)立柱水平?jīng)_擊力與框架移動(dòng)的加速度大小、坯料荷重的大小以及水梁和立柱的自身重量大小有關(guān)。其計(jì)算公式為:鋼坯產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力:水梁自重產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力:立柱自重產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力:式中:W—為立柱計(jì)算截面的截面系數(shù),cm3。3.2.3鋼坯受地震影響而產(chǎn)生的水平力地震對(duì)立柱所產(chǎn)生的水平力與鋼坯的正壓力、梁的自重和立柱的自重大小有關(guān)。鋼坯受地震影響而產(chǎn)生的水平力P3.s,其關(guān)系式為:式中:＿—鋼坯與墊塊間的摩擦系數(shù);k—地震水平推力系數(shù),與地震強(qiáng)度有關(guān)。立柱自重受地震影響而產(chǎn)生的水平力P3.sp各水平力對(duì)計(jì)算點(diǎn)的彎矩為:相應(yīng)的計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力為:3.2.4桿件的長(zhǎng)度和截面積的計(jì)算坯料對(duì)立柱的正壓力使其產(chǎn)生的彎曲按中心受壓桿來(lái)計(jì)算。在計(jì)算中可以認(rèn)為是一端嵌固,一端自由的壓桿。其計(jì)算過(guò)程如下:桿的細(xì)長(zhǎng)比:λ=lk/i桿件的計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力為:式中:lk—桿件計(jì)算長(zhǎng)度cm;i—立柱的最小回轉(zhuǎn)半徑cm;A—計(jì)算點(diǎn)的截面積cm2;h—根據(jù)λ值查得的折減系數(shù)。3.2.5el、p3、p4應(yīng)力模型綜合1～4的計(jì)算數(shù)據(jù),立柱的工作狀態(tài)有兩種:經(jīng)常作用的長(zhǎng)期應(yīng)力和瞬間作用的瞬時(shí)應(yīng)力。長(zhǎng)期應(yīng)力eL包括P1、P2x、P4作用下對(duì)立柱產(chǎn)生的應(yīng)力,其計(jì)算式為:固定立柱:eL=e1+e4kg/cm2活動(dòng)立柱:eL=e1+e2+e4kg/cm2對(duì)立柱而言,由于在地震水平力作用的同時(shí),長(zhǎng)期作用力仍然在作用,所以瞬時(shí)應(yīng)力eτ包括長(zhǎng)期應(yīng)力eL和地震水平力P3x產(chǎn)生的應(yīng)力,其計(jì)算式:3.3設(shè)計(jì)規(guī)范條件的應(yīng)力對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)力,因水梁、立柱是在爐內(nèi)工作的構(gòu)件,eL應(yīng)小于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力。對(duì)于瞬時(shí)應(yīng)力,我們只考慮其應(yīng)力對(duì)立柱不產(chǎn)生永久變形。eτ也應(yīng)小于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,即可選擇合適的鋼管截面尺寸。4估算法4.1簡(jiǎn)化無(wú)活動(dòng)裝置的立柱受力,引起水梁力的上升或停止時(shí),立柱的管該種方法是根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái),并為國(guó)內(nèi)外幾座爐子的實(shí)踐證明了的。它將立柱的受力簡(jiǎn)化成兩種a)由板坯及水梁、立柱自重產(chǎn)生的垂直載荷的作用;b)步進(jìn)梁抬起板坯之后,前進(jìn)或停止時(shí)產(chǎn)生的水平慣性力的作用。步進(jìn)梁立柱的受力圖見(jiàn)圖5。4.1.1壁厚的質(zhì)量表現(xiàn)通過(guò)對(duì)多座爐子的水梁立柱計(jì)算,我們得出結(jié)論:決定步進(jìn)梁立柱直徑和壁厚的不是強(qiáng)度,而是立柱的剛度。只要我們選出的立柱管在水平載荷作用下,其端部的位移小于設(shè)計(jì)規(guī)定值[δ],立柱的強(qiáng)度是大大有余的。因此,在計(jì)算步進(jìn)梁立柱時(shí),可以只進(jìn)行剛度計(jì)算,而不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。4.1.1.p坯—1水平推力的計(jì)算水平推力為:式中:Q—水平推力,kg;P坯—支撐鋼坯的幾根步進(jìn)梁上板坯的總重量,kg;n—支撐鋼坯的幾根步進(jìn)梁立柱的總根數(shù);k—推力系數(shù)。4.1.1.根據(jù)受力狀態(tài)的位移立柱在水平推力作用下,會(huì)產(chǎn)生一水平位移,而此時(shí)將立柱看成兩端固定的受力狀態(tài),可按下式計(jì)算產(chǎn)生的位移:式中:W—立柱在推力Q作用下產(chǎn)生的位移,cm;H—立柱的實(shí)際高度,cm;E—鋼材的彈性模數(shù),kg/cm2;I—立柱管的慣性矩,cm4;Q—水平推力,kg。4.2梁柱法的計(jì)算固定梁立柱只承受垂直載荷的作用,在計(jì)算其強(qiáng)度的同時(shí),應(yīng)考慮其穩(wěn)定性,固定梁立柱的受力圖見(jiàn)圖6。4.2.1垂直負(fù)荷p的選擇用承受最大極限負(fù)荷的水梁上的支點(diǎn)反力的最大值與立柱的自重(管子、保溫材料、水的重量)之和來(lái)作為垂直載荷。4.2.2桿件的求取折減系數(shù)垂直載荷使立柱產(chǎn)生的彎曲按中心受壓桿來(lái)計(jì)算。在計(jì)算中可以認(rèn)為立柱是一端嵌固,一端自由的壓桿。其計(jì)算過(guò)程如下:桿的細(xì)長(zhǎng)比:λ=lk/i式中:lk—桿件計(jì)算長(zhǎng)度,cm;i—立柱的最小回轉(zhuǎn)半徑,cm;h—根據(jù)λ值查得的折減系數(shù);[e]—鋼材的許用應(yīng)力,kg/cm2。用以上的公式,即可選擇合適的立柱管徑和壁厚。5采用兩種方法計(jì)算立柱的胸徑筆者先后采用精確計(jì)算法和估算法分別對(duì)兩座大型步進(jìn)梁式加熱爐的水梁立柱管進(jìn)行了計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1:從上表可以看出,對(duì)固定梁立柱,采用兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果有些差別,用精確計(jì)算法計(jì)算的立柱管徑要比用估算法計(jì)算出的立柱管徑大約兩個(gè)規(guī)格;而對(duì)步進(jìn)梁立柱,用兩種方法計(jì)算得出的結(jié)果比較接近。由于用估算法計(jì)算立柱時(shí)未考慮在立柱根部加筋,如果在立柱根部加筋,即可將立柱高度減小,則立柱的規(guī)格還可能減小一些。6立柱的測(cè)量計(jì)算從以上介紹可知,水梁立柱管的兩種計(jì)算方法各有優(yōu)劣。精確計(jì)算法結(jié)果較為準(zhǔn)確,但計(jì)算步驟多而繁瑣;估算法簡(jiǎn)潔方便,但準(zhǔn)確性低一些。雖然也用估算法計(jì)算過(guò)幾座爐子的立柱管,并且在生產(chǎn)過(guò)程中也未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。但我們過(guò)去設(shè)計(jì)的所有爐子的瞬時(shí)工況都沒(méi)有達(dá)到過(guò)設(shè)計(jì)的最?lèi)毫拥臈l件,目前也沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)手段證明在最?lèi)毫庸r下我們計(jì)算的立柱管是否可靠。因此,我們建議,在報(bào)價(jià)、可研等高階段,為方便省時(shí),可以采用估算法,但計(jì)算出的固定立柱管最好加大1～2個(gè)規(guī)格;而到了詳細(xì)設(shè)計(jì)階段時(shí),應(yīng)分別用兩種計(jì)算方法計(jì)算立柱管,比較結(jié)果,取較大者為設(shè)計(jì)值。3.1.1固定立柱的受力分析E—立柱材料的彈性模量,kg/cm2;I—立柱的慣性矩,cm4;f—立柱的彎曲量,cm;H—立柱的總高度,cm;M1—對(duì)計(jì)算點(diǎn)的彎矩,kg·cm;W—立柱的截面系數(shù),cm3;Gs—坯料對(duì)立柱的作用力,kg