第３７卷第１３期 ．３６． ２ ０ １ １年５月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１３ Ｍａｖ． ２０１１ 文章编号：１００９－６８２５（２０１ １）１３—００３６－０３ 液压爬模系统有限元分析 周海兵 摘要：对华能海南东方电厂烟囱施工的液压爬模系统进行了有限元分析，利用ＡＮＳＹＳ通用软件，建立了爬模系统的有 限元模型，得到了爬模系统的应力分布和位移变形情况，并进行了模态分析，得出一些有指导意义的结论。 关键词：液压爬模系统，有限元分析，位移，应力 中图分类号：ＴＵ７５５．２ 文献标识码：Ａ １ 概述 烟囱工程是电厂的“第一高峰”，其施工工艺方法较多，大同 二电厂烟囱施工采用液压提升施工平台，人工倒模施工方法…。 太原二电厂采用无井架十字桁架液压提升装置，结构合理、操作 元分析的第一步，即将分析对象分割为有限个单元体，在单元体 内设置节点，并使相邻单元具有一定的连续性，构成一个单元的 集合体代替实际的结构。 ２）单元分析。为了利用节点位移表示单元体的位移、应变和 应力，假定单元体内位移是连续协调函数，即位移模式或插值函 数，选择恰当的位移函数是有限元分析的关键。通过选定的位移 模式，我们可以得到单元内任意一点的位移和节点位移之间的关 系式，其矩阵形式为： 简便、安全可靠 Ｊ。文献［３］介绍了烟囱施工的几种基本工艺的 特点，提出了一种新型的施工升降平台。该平台结构紧凑，受力 明确，每一单元质量轻，装拆方便。文献［４］介绍了鹰架提升系 统，该系统一改常规液压或是电动爬模施工设置操作平台的做 法，设置了两个通道代替操作平台，将设备系统进行了简化，在造 价降低的同时也使系统提升难度大大地降低。 华能海南东方电厂建设规模２×３５０ ＭＷ机组工程。烟囱高 ｛ｆ｝＝［Ｎ］｛６ ｝ （１） 其中，｛，｝为单元内任意一点的位移列阵；｛ ｝为单元的节点位 移列阵；［Ⅳ］为形函数矩阵，其中形函数矩阵是位置坐标的函数。 由形函数矩阵，通过几何方程可以导出用节点位移表示的单 元应变关系式： ｛ｓ｝＝［曰］｛ ｝ 阵。 ２１０ ｍ，钢内筒顶部出口内径６ ｍ，钢内筒采用ＪＮＳ耐酸钢。烟囱 外筒采用现浇钢筋混凝土结构。标高７．３２ ｍ处外筒中心半径为 ９．１９９ ｍ，此处安装液压爬模系统。液压爬模系统中心毂圈直径３ ｍ， 高４ ｍ。主辐射梁半径１２ ｍ，次辐射梁半径１０．５ ｍ，井架高７．８ ｍ。 液压爬模系统如图１所示。本文对液压爬模系统进行了有限元 计算，分析结论可供施工、设计和系统改进参考。 （２） 其中，｛ｓ｝为单元内任意一点的应变列阵；［曰］为单元的应变矩 由材料的本构方程通过上式可以得到节点位移和单元应力 之间的关系如下： ２有限元模型 ２．１有限单元法 有限单元法求解步骤主要有： ｛ ｝＝［Ｄ］［ ］｛６ ｝ （３） 其中，｛ ｝为单元内任意一点的应力列阵；［Ｄ］为与单元材料 有关的弹性矩阵。 由最小位能原理建立离散体系的节点平衡方程时，可将离散 参考文献： ［１］ 陈禄如．我国钢结构行业发展的现状、趋势和存在的问题 ［Ｊ］．建筑，２００８，３４（４）：５７—５９． 筑，２００８，３４（３）：１１５—１１６． １）结构离散。结构离散是有限单元法的核心思想，也是有限 ４我国钢结构建筑的发展趋势 住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，发展钢结构住宅 能有效推进我国住宅产业化。钢结构住宅体系易于实现工业化 新型材料，它属绿色环保型建筑，可再生重复利用，符合可持续发 李海龙．钢结构在我国的应用现状及发展前景［Ｊ］．山西建 生产，标准化制作，与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的 ［２］ 魏明钟．钢结构［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，２００４． 展的战略。随着钢结构建筑的发展，钢结构住宅建筑技术也必将 ［３］ 刘伟，宋非非，常庆芬，等．我国钢结构建筑的发展概况及 不断的成熟，大量的适合钢结构住宅的新材料也将不断的涌现， ［４］同时，钢结构行业建筑规范、建筑标准也将随之逐渐完善。相信 深层次的。 趋势［Ｊ］．吉林建筑工程学院学报，２００８（６）：２７—３２． 震．浅谈我国钢结构建筑的现状及发展前景［Ｊ］．当代 人（下半月），２００８（８）：４５． 杨不久的将来，钢结构住宅必然会给住宅产业和建筑行业带来一场 ［５］Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ＧＵＡＮ Ｊｕｎ．ｗｅｉ ＸＩＯＮＧ Ｊｉｅ ＰＥＮＧ Ｙｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ’Ｓ ｐｒｅｓｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｍａｒｇｉｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ—ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｐｒｅｓｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｒｅｎｄ 收稿日期：２０１１－叭一１９ 作者简介：周海兵（１９７４一），男，博士，工程师，湖南建工集团第四工程有限公司，湖南长沙４１０１１９ 第３７卷第１３期 ２ ０ １ １年５月 周海兵：液压爬模系统有限元分析 ・３７・ 彤式的系统总位能表不为： 其中， ， 均为位势函数，将式（１）～式（３）代入式（４）司得： Ⅱ ＝∑ ＋ ）ｄ ＋∑Ｌ ｄ， （４） ｛ ｝ ｛ ÷［ ］ ＥＤＩ ＥＢ Ｊ ｌ ａＹ一 ［Ⅳ］ ｛ｆｌ ｄＶ一 ＥＮＩ ／ＴＩ ｄｒ｝＝ 寺； ｝ ￣ＥＢＩ ＥＤ］ＥＢｌ ａＶ／８ ｝一 ｛ ｝ ［Ⅳ］ ｛ｆｔ ｄＶ一 ｝ Ｊ ＥＮ］ …ｄ厂 由总位能的变分６ⅡＤ＝０可得有限元求解的单元刚度方程： （５） ｔ 支撑杆下端点为固定边界，三个方向的平动和三个方向的转 ［ ］｛ ｝＝｛Ｐ ｝ （６） 动。有限元计算中千斤顶支撑杆下端按铰接边界施加。 表１主要荷载其中，｛ ｝，［ ］分别为单元的节点荷载向量和刚度矩阵，且： ＝Ｊ Ｂ 。 Ｂ ｄ ，／Ｐ。｝＝Ｊ［Ⅳ］ ｛，｝ｄ ＋Ｉ［Ⅳ］ ｛７Ｔ｝ｄ，。 ３）整体分析。通过式（６）即可将各个单元的刚度矩阵集合成 结构的整体刚度矩阵，将作用于单元的等效节点力列阵集合成总 的荷载列阵，于是可以得到整个结构的平衡方程： ［ ］｛６｝＝｛Ｐ｝ （７） 引入结构的强制边界条件，对总刚矩阵和荷载列向量进行相 应的修改，求解得到结构的节点位移，然后将位移回代入单元，即 可求得结构的应变、应力和反力等。 ２．２有限元模型 根据液压爬模系统的结构尺寸，利用ＡＮＳＹＳ有限元软件，建 立了液压爬模系统的有限元模型。 ａ）液压爬模系统立面图 ｂ）液压爬模系统平面图 图１液压爬模系统示意图 ３荷载和边界条件 ３．１ 系统载荷 按照实际载荷进行计算，并参照《滑升模板》中表４—５的载荷 数值，系统总荷载为６５．２ ｔ，主要荷载如表１所示。 ３．２边界条件 在浇筑第一模混凝土时，千斤顶支撑杆下端点可近似视为铰 接，三个方向的平动位移。浇筑第一模混凝土以后，千斤顶 Ｅ茎主三Ｅ三主三Ｅ兰 三王三至三王三呈三王三至三 三 三 三三三 表２ 液压爬模系统主要构件的最大位移和最大应力表 构件 最大位移／ｍｍ 最大应 切向 径向 高度方向 力／ＭＰａ 千斤顶支撑杆 ７．２９ ２４．７２ ０．４ １８４ 辐射梁 ７．１ ｌ９．２０ ３９．９８ ９２．８ 中０毂圈上部钢圈 ０．９１ ２０ ２．５．２ １５３ 中心毂圈下部钢圈 １．Ｏ ２ｌ ２４．９ １２６ ４计算结果 ４．１ 静力计算结果 液压爬模系统主要构件的最大位移和最大应力如表２所示。 从表２中可以看出，系统的最大应力是千斤顶支撑杆１８４ ＭＰａ，系 统的最大位移高度方向是辐射梁约为４０ ｍｍ，最大径向位移是千 斤顶支撑杆２４．７２ ｍｍ，最大切向位移是千斤顶支撑杆７．２９ ｍｍ。 ４．２模态计算结果 通过计算得到结构前１Ｏ阶固有频率如表３所示。 表３前１０阶固有频率 Ｈｚ 阶次 固有频率 振型 阶次 固有频率 振型 １ ０．６１４ ９８ 水平漂移 ６ ３．８１６ ２ 毂圈振动 ２ ０．６１５ ０３ 水平漂移 ７ ３．８８８ ３ 毂圈振动 ３ ０．６９４ ３８ 扭转 ８ ４．１９４ １ 毂圈振动 ４ ３．６９８ ５ 拉杆振动 ９ ４．８５９ ２ 拉索振动 ５ ３．７９０ ３ 拉杆振动 １０ ５．１４８ ４ 拉索振动 由此可知，结构体系第１阶固有频率为０．６１４ ９８ Ｈｚ，振型是 水平方向的漂移。第２阶固有频率为０．６１５ ０３ Ｈｚ，振型是另一水 平方向的漂移。第３阶固有频率为０．６９４ ３８ Ｈｚ，振型是扭转。这 是结构容易发生漂移和扭转的根本原因，施工过程中要特别注意。 ５结语 通过以上计算，可以分析得到以下结论：１）当液压爬模系统 在最大荷载作用时，系统危险部位在于千斤顶支撑杆，其最大应 力达１８４ ＭＰａ。２）千斤顶支撑杆径向位移为２４．７２ ｍｍ，切向位移 为７．２９ ｍｍ，由于水平面内的变形将承受偏心荷载，成为一个压弯 体系，其临界压力将低于单纯的受压杆件。３）液压爬模系统由 ４４榀辐射梁组成，５２个千斤顶提升，实际操作中应保证所有的千 斤顶同步工作。否则，支撑杆将承受不均匀荷载，容易发生屈曲 破坏。４）结构体系第１阶和第２阶固有频率为水平面内两个方 向的漂移，第３阶固有频率为水平面内扭转。这是结构容易发生 漂移和扭转的根本原因，施工过程中要特别注意。 参考文献： ［１］ 张福常，康贺仁，王志峰．大同二电厂烟囱施工总结［Ｊ］．电 力建设，２００５，２６（１）：３２—３３． ［２］ 骆丑伟．无井架十字桁架液压提升装置在太原二电厂五期 技改工程烟囱施工中的应用［Ｊ］．电力建设，２００４，２５（２）： ７２＿７３． ・３８・ 第３７卷第１３期 ２ ０ １ １年５月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１３ Ｍａｖ． ２０１１ 文章编号：１００９—６８２５（２０１ １）１３—００３８－０２ 残余应力对焊接部位疲劳破坏的影响 康传强 摘唐娜 韩宾 要：简要分析了影响焊接疲劳强度的主要因素，详细阐述了残余应力对焊接部位疲劳的影响，并将焊接残余应力的 形成、分类进行了说明，最后经讨论提出必须重视残余应力对疲劳的影响，以保证钢结构使用性能。 关键词：钢结构，焊接残余应力，疲劳影响 中图分类号：ＴＵ３１２．３ 文献标识码：Ａ 钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下 与周围环境拘束有关。在一条焊缝上，由于先焊与后焊的顺序不 发生的一种脆性破坏。对于脆性断裂的结构几乎观察不到构件 同，焊缝彼此有影响，特别是后焊的对先焊的焊缝有影响。 的塑性发展过程，没有破坏的征兆，因而其破坏后果经常是灾难 ２焊接残余应力的分类 性的。焊接是钢结构中应用最广泛的工艺，然而焊接结构经常不 断发生断裂事故，其中９０％为疲劳失效。因此研究焊接部位的疲 劳是非常有意义的。 ２．１ 纵向残余应力 平行于焊缝方向的残余应力，焊缝及其附近的塑性压缩变形 区内为拉应力，其数值一般达到材料的屈服强度值（焊件尺寸过 众所周知，焊接结构的疲劳极为复杂，其分析精度直接依赖 于各环节及影响因素的合理考虑。影响焊接疲劳强度的主要因 素有： 小时除外），两侧为压应力。如图１所示为纵向残余应力示意图， 纵向残余应力用ｏｒ 表示。 １）焊接接头的形式、焊接结构的几何状况、错边或角变形，以 及局部焊缝几何状况等都会影响应力集中； ２）焊接缺陷，一般有两类缺陷：如裂纹、未焊透、未熔合、咬边 等面状缺陷；如气孔、夹渣等体积型缺陷； ３）焊接残余应力，焊接结构的残余应力使平均应力的大小改 变而应变幅值却没有改变，从而影响疲劳强度，本文将主要阐述 残余应力对焊接部位疲劳的影响。 图１纵向残余应力示意图 １ 焊接残余应力的形成 残余应力是一组作用在结构不同部位的于外部荷载的 ２．２横向残余应力 焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩所引起的残余应力和 拉压应力自平衡力系。焊接结构中的残余应力是在整个焊接快 焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩不同时所引起的残余应 速加热及后续冷却的局部温度变化过程中，由于低温区材料约束 力合成而得到的残余应力就是垂直于焊缝方向的残余应力，分布 作用抑制了热源及其临近区域材料的膨胀和收缩，局部区域发生 情况也很复杂。特别需要指出的是焊接的顺序应该是从中间向 从而使两方面的残余应力能够抵消一部分。图２为横向残 塑性变形，而最终冷却状态的焊缝接头区域形成自相平衡的拉压 两端， 应力系统。焊接残余应力的分布是不均匀的，焊后收缩区域应力 余应力示意图。为拉应力并随着收缩趋势的增大而增大，最大值可达到材料的屈 ２．３厚度方向的残余应力 服强度。压应力出现在远离焊缝的区域。残余应力波及面随着 当焊接的构件较厚时，除了存在纵向残余应力和横向残余应 焊接加热区宽度的增大而增大。焊接残余应力的分布也是复杂的， 力外，还存在着较大的厚度方向残余应力。图３为厚度方向残余 ～ ［３］ 李秀辉，王东红，田国承．升降平台在电厂烟囱施工中的应 ［４］ 何赵军．浅析鹰架提升技术在电厂烟囱工程中的应用［Ｊ］ 用［Ｊ］．建筑机械化，２００６（１０）：５３—５５． 云南电力技术，２００６，３４（６）：９６－９８． Ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＯＵ Ｈａｉ－ｂｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｎｄｅ￣ａｋｅｓ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｃｈｉｍｎｅｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕａ’ｎｅｎｇ Ｈａｉｎａｎ Ｄｏｎｇｆａｎｇ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ，ａｄｏｐｔｓ ＡＮＳＹＳ ｃｏｍｍｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎ・ ｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｕｎｄｅ￣ａｋｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｓｏｍｅ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｅｓｓ 收稿日期：２０１１－０１—１４ 作者简介：康传强（１９８７一），男，山东科技大学硕士研究生，山东青岛２６６５１０ 唐韩娜（１９８５．），女，山东科技大学硕士研究生，山东青岛２６６５１０ 宾（１９８７．），男，山东科技大学硕士研究生，山东青岛２６６５１０
