超高钢结构转运站的设计与计算

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摘 要：转运站是矿山、冶金行业中常见的构筑物，是设在两台高架固定式带式输送机之间的中转站。本文结合阿曼项目中CT-3113-02转运站实例进行介绍和计算。该转运站长13.5米，宽8.2米，高47.3米，总共分成10层，属于高式转运站。

关键词：转运站；输送机；钢结构；有限元分析；ANSYS

中图分类号：TU39 文献标识码：A

转运站是矿山、冶金行业中常见的构筑物，是设在两台高架固定式带式输送机之间的中转站。普通的建筑钢结构建筑一般只受到自重、活载、风载等荷载的影响，高度越高的建筑受风载的影响也就越大。通过查阅大量资料，钢结构转运站大多为高度在30米之内，可这个转运站高度已接近50米，是目前世界最高的钢结构转运站。对这种高式转运站的研究与探讨从未出现。本课题来源于阿曼工业区的球团厂工程项目。CT-3113-02转运站钢结构全部由型钢和钢板焊接或栓接而成。转运站13.5米，宽8.2米，高47.3米，总共分成10层。其中在海拔标高38.6米平面（8层）布置有TR.3123.03、TR.3113.03胶带机，在海拔标高47.3米平面（9层）布置有TR.3123.02、TR.3113.02胶带机。本计算对转运站整体结构进行了静力强度、刚度分析，受压杆件进行了稳定性校核，计算采用的是有限元法。

1 计算依据

阿曼二期带式输送机相关设计文件。钢结构设计规范（GB50007-2003）。建筑结构荷载规范（GB50009-2001）。

2 计算条件

2.1 转运站结构设计计算用载荷种类

2.1.1 D=恒载荷，包括下列各项。

（1）结构自重：转运站钢结构重量。（2）部件重量：转运站上所安装的胶带机的部件重量。（3）辅属设备重量。（4）外装、铺板、走台、栏杆的重量。（5）廊道作用载荷。

2.1.2 L=活载荷。

2.1.3 W=风载荷。

2.1.4 F=胶带张力。

2.1.5 Q=物料。

2.1.6 QD=堵料。

2.2 活载荷

主要屋面部分：2.0KN/m2。其余屋面部分：1.0KN/m2。屋面活荷载：5.0KN/m2。

2.3 计算风压：815N/m2。

2.4 载荷组合

按四种载荷组合：载荷组合Ⅰ（满载运行）：1.2（D+Q）+1.6F+0.5（W+L）。载荷组合Ⅱ（紧急停车）：1.35（D+QD）+1.2F+0.7L。载荷组合Ⅲ（停机暴风）：1.2D+1.6W+0.5F。载荷组合Ⅳ（停机检修）：1.2（D+Q）+1.6L。

2.5 材料特性

转运站结构柱、平面梁和斜支撑采用钢材型号均为Q345B，次要杆件、层面铺板及肋、围墙板及檩条等采用Q235B（对应AETM/A283M），弹性模量E均为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。Q235B，屈服应力σs为235Mpa，σb为破坏应力410Mpa；Q345B，σs为345Mpa，σb为520Mpa。

2.6 设计指标

Q235钢材强度设计值：f=206N/mm2Q345钢材强度设计值：f=295N/mm2。

构件变形许用值：屋顶梁 L/400。楼面梁：L/600。柱：L/1000。

2.7 计算采用有限元法，计算应用的程序是ANSYS10.0。

3 有限元分析的力学模型

转运站钢结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况，有限元分析时简化成空间强支撑框架结构，结构中构件均等效为三维弹性梁单元（BEAM189），或三维弹性杆单元，两种单元的特性分述如下：

3.1 三维弹性梁单元（BEAM189）

三维弹性梁单元为单轴单元，有拉伸、压缩、弯曲及扭转的功能。在各个不同的节点上都具有六个自由度，分别为沿X，Y，Z轴向方向移动以及绕x，y，z轴的转动。运算的结果包括节点位移，弹性梁单元的应力以及内力。

3.2 三维弹性杆单元（LINK180）

三维弹性杆单元具有两节点，而每个定位节点具有三个自由度，即沿着X，Y，Z轴方向移动。运算的结果包括节点位移，弹性杆单元的应力以及内力。

模型中节点的确定遵循如下原则：

（1）转运站钢架点节点应为建立模型的节点。（2）转运站钢架与钢板的连接点或者节点为所建模型的节点。

建立模型时，必须对节点坐标、节点位移及节点载荷方向等相关参数等作出明确的描述。取模型的整体坐标系为右手系OXYZ，其中Y轴垂直向上。原点位于桁架中心面的左下角，该模型由322个节点及605个单元组成。

3.3 约束

转运站钢结构通过立柱下面的支座用螺栓与结构预埋件联接，固定在地基基础上。有限元分析时将与地基联接点均约束，共有6个点，每个点的六个自由度全部约束，即：X、Y、Z三个方向的线位移和X、Y、Z三个方向的角位移。

4 计算结果

4.1 结构应力

通过普查应力场，在五种载荷组合下，转运站钢结构杆件应力载荷组合Ⅰ最大。杆件最大强度应力为140Mpa。稳定性校核应力163Mpa。全部杆件应力均小于设计值。

4.2 结构变形

通过普查结构变形图，结构X方向最大变形78mm，结构Y方向最大变形18mm，结构在Z方向最大变形为16mm，结构和构件的变形均小于容许值。

参考文献

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