裝配式帶式輸送機(jī)棧橋有限元分析
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吳春野1，2 殷志祥1
（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新123000；2．天地科技股份有限公司，北京100013）
摘 要：裝配式輸送機(jī)棧橋是近年來(lái)出現(xiàn)的一種應(yīng)用于國(guó)外現(xiàn)代化礦井煤炭運(yùn)輸?shù)男滦徒Y(jié)構(gòu)形式，具有建設(shè)工期短、施工簡(jiǎn)單、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。但由于關(guān)鍵技術(shù)、施工工藝、造價(jià)較高等因素，目前在國(guó)內(nèi)煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中并沒(méi)有出現(xiàn)該結(jié)構(gòu)形式。利用ANSYS有限元軟件對(duì)單跨、雙跨結(jié)構(gòu)的靜力特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并針對(duì)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)其靜力特性的影響進(jìn)行了深入研究，得出提高結(jié)構(gòu)靜力特性的相關(guān)措施和結(jié)構(gòu)的整體蒙皮效應(yīng)。
關(guān)鍵詞：裝配棧橋；靜力特性；有限元；參數(shù)分析；蒙皮效應(yīng)
DOI:10. 13206/j.gjg201606016
0 引 言
整體裝配式帶式輸送機(jī)棧橋是近年來(lái)出現(xiàn)的一種應(yīng)用于國(guó)外現(xiàn)代化礦井煤炭運(yùn)輸?shù)男滦徒Y(jié)構(gòu)形式，具有建設(shè)工期短、施工簡(jiǎn)單、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是由縱向封邊梁、下部縱向主梁、橫向次梁、預(yù)制混凝土樓板、側(cè)折板、上部橫梁（用于帶式輸送機(jī)懸掛）整體拼裝而成，每段棧橋的長(zhǎng)度均為36 m，所有的構(gòu)件都是在鋼結(jié)構(gòu)廠內(nèi)預(yù)先制造完成，現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單拼裝并將帶式輸送機(jī)安裝后即可投入生產(chǎn)。
目前，該結(jié)構(gòu)在澳大利亞、美國(guó)的現(xiàn)代化礦井均有應(yīng)用，但結(jié)構(gòu)的制作和安裝均是由生產(chǎn)帶式輸送機(jī)設(shè)備廠商以EPC交鑰匙工程進(jìn)行承攬，不僅銷(xiāo)售輸送機(jī)設(shè)備，同時(shí)還負(fù)責(zé)整個(gè)棧橋的設(shè)計(jì)、制造和安裝，從而導(dǎo)致該項(xiàng)工程的造價(jià)非常之高。迄今為止，由于造價(jià)、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)等因素，在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用實(shí)例。利用ANSYS軟件對(duì)單跨、雙跨結(jié)構(gòu)的靜力特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，并深入研究了上部橫梁、折板起波尺寸等幾何參數(shù)對(duì)其靜力特性的影響，得出一系列在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中如何減小撓度、降低應(yīng)力集中、提高整體剛度的相關(guān)措施，對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
1 有限元模型的建立
1.1 單元采用
結(jié)構(gòu)的縱向封邊梁（2根[28，間距3.6 m）、下部縱向次梁（2根[20，間距1.2 m）、橫向梁（[18，間距3m）及上部的水平橫梁（[18，間距3m）均以Beam 188梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，鋼材為Q235，彈性模量E為2. 06×105 M Pa，泊松比為0.3。該單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，并基于鐵木辛柯梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。每個(gè)單元有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即沿坐標(biāo)系x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
整個(gè)棧橋的圍護(hù)鋼板厚度h= 6.0 mm，每間距3m的豎向肋板以及預(yù)制混凝土樓板采用Shell 63殼單元進(jìn)行模擬。該單元適合模擬彎曲及適當(dāng)厚度的殼體結(jié)構(gòu)，具有彎曲和薄膜特性。單元中每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿x、y和z方向的平動(dòng)以及繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
1.2 計(jì)算假定及簡(jiǎn)圖
結(jié)構(gòu)處于彈性階段，不考慮塑性變形；樓面板和縱向梁的形心在同一個(gè)水平；對(duì)于單跨棧橋端部支座為鉸接即對(duì)端部節(jié)點(diǎn)施加u x、u y、u z三個(gè)方向的線位移約束同時(shí)釋放角位移約束；對(duì)于連續(xù)跨的鋼走廊端部支座約束同上，但同樣需要在每間隔36 m對(duì)應(yīng)兩側(cè)的結(jié)點(diǎn)施加u y方向的線位移約束，形成連續(xù)的鋼走廊（圖2）。
1.3 荷載選取
通過(guò)對(duì)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)正常使用條件下，結(jié)構(gòu)的最不利荷載組合按照1.2恒載+1.4活載計(jì)算可知，樓面荷載為每個(gè)結(jié)點(diǎn)施加0.119 k N的豎向力，風(fēng)荷載為迎風(fēng)面每個(gè)結(jié)點(diǎn)施加0. 005 39 k N的水平力；背風(fēng)面每個(gè)結(jié)點(diǎn)施加0. 003 36 k N的水平力，壓型鋼板屋面荷載為每個(gè)結(jié)點(diǎn)施加0. 077 8 k N的豎向力，另外在對(duì)上部水平橫梁分別施加6.0 k N和1.5 k N的皮帶運(yùn)輸機(jī)荷載。
2 靜力特性分析
2.1 單跨裝配棧橋分析
利用有限元模型對(duì)單跨裝配棧橋的豎向位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖3、圖4所示。
由圖3、圖4分析可知：結(jié)構(gòu)的最大撓度在跨中節(jié)點(diǎn)處，為0. 043 m;最大水平位移發(fā)生在上部側(cè)面折板跨中部位，最大位移為0. 042 6 m；最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)面折板靠近支座處的兩端，且均小于Q235鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度(210 M Pa)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
2.2連續(xù)跨裝配棧橋分析
通過(guò)有限元模型對(duì)連續(xù)跨裝配棧橋的豎向位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示。
由圖5、圖6可知：最大豎向位移發(fā)生在跨中節(jié)點(diǎn)處，為0. 028 4 m；最大水平位移發(fā)生在上部側(cè)面折板靠近邊緣支座處，最大位移為0. 018 7 m;整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在跨中支座側(cè)折板的上部，應(yīng)力小于210 M Pa。
綜上，通過(guò)對(duì)單跨、連續(xù)跨結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足正常使用情況下最不利荷載組合的計(jì)算分析得出：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)側(cè)面折板靠近支座端部、跨中上邊緣處進(jìn)行加厚處理，以提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度；在結(jié)構(gòu)的跨中增加縱向封邊梁、下部縱向主梁的截面尺寸、鋼材強(qiáng)度等方法來(lái)控制結(jié)構(gòu)的撓度。
3 幾何參數(shù)對(duì)靜力特性的影響分析
3.1 下部縱向次梁
整個(gè)棧橋?qū)挾葹?.6 m，下部由2根封邊縱梁和2跟縱向次梁組成，縱向次梁間距1.2 m，針對(duì)4種幾何尺寸的下部縱向次梁，分別為2根[ 16、2根[18、2根[20、2根[22進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)比可知隨著幾何尺寸的增大，跨中相同位置處的撓度和應(yīng)力均有降低趨勢(shì)。說(shuō)明，通過(guò)增加構(gòu)件幾何尺寸可以增加結(jié)構(gòu)的整體剛度。
3.2 圍護(hù)板厚度
不同圍護(hù)板的厚度對(duì)位移和應(yīng)力的分析見(jiàn)表1。
隨著厚度的增加，結(jié)構(gòu)的跨中節(jié)點(diǎn)位移隨著降低，最大應(yīng)力集中處的應(yīng)力也隨著降低。說(shuō)明圍護(hù)板雖然只是結(jié)構(gòu)的表面覆蓋材料，但利用本身的剛度和強(qiáng)度對(duì)整體剛度起到加強(qiáng)作用，產(chǎn)生了蒙皮效應(yīng)。
3.3 圍護(hù)板的波紋高度
選取圍護(hù)板的波紋高度分別為0.1，0. 15，0.2，0. 25 m，經(jīng)分析可知：隨著波紋高度的增加，結(jié)構(gòu)的跨中節(jié)點(diǎn)位移增加，最大應(yīng)力集中處的應(yīng)力也增加。說(shuō)明圍護(hù)板的波紋高度可降低蒙皮效應(yīng)。
4 結(jié) 論
1)在滿(mǎn)足正常使用荷載情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生最大位移和應(yīng)力集中位置。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度，需進(jìn)行加厚處理的區(qū)域或增加截面尺寸、鋼材強(qiáng)度的構(gòu)件范圍。
2)下部縱向次梁是降低結(jié)構(gòu)撓度的最有效構(gòu)件，可通過(guò)增加其強(qiáng)度和截面尺寸來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)的承載能力。
3)考慮圍護(hù)板承載的蒙皮效應(yīng)，隨著板厚的增加可以提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度。
