水梁與立柱的受力狀態分析

1水梁、立柱橫向穩定性眾所周知，梁和立柱是漸進梁加熱爐的主要承載環節。鋼圈位于梁上，立柱將力傳遞給移動框架。與推鋼式爐不同的是,每根水梁、立柱雖然在縱向上是一個桁架結構,但在橫向上是各自獨立的。因此,水梁、立柱的橫向穩定是設計者首要考慮的課題,尤其是我國的許多鋼鐵廠都處于地震帶或地震影響區,這就更引起我們的注意。目前立柱的計算方法大致有兩種:精確計算法和估算法,本文將對這兩種方法作出介紹,并對兩種方法的計算結果作出比較,供大家在以后設計中參考。2架式結構的特點水梁、立柱的結構簡圖如圖1所示。從圖上不難看出,縱向上水梁、立柱1(2)和爐底框架移動框架組成桁架式結構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構。爐內的固定水梁、立柱只是支撐坯料,固定在爐底鋼結構上不動。因此立柱的受力比較簡單,而活動水梁與立柱不僅支撐鋼坯,而且要搬運鋼坯,所以它的受力比較復雜。下面分別對立柱的兩種計算方法作詳細說明。3活動立柱的受力分析3.1立柱受力狀態分析固定立柱的受力狀態見圖2,作用于固定立柱上的力有:a)水梁受熱膨脹對立柱形成的縱向(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)地震產生的水平推力。3.1.2活動立柱的受力分析活動立柱的受力狀態見圖3,作用在活動立柱上的力有:a)水梁受熱膨脹對立柱產生的縱向(X方向)水平力:b)由于移動框架在起動和停止時產生的加速(或減速)形成的水平沖擊力作用;c)坯料的正壓力N;d)坯料因受熱膨脹而產生的橫向(Y方向)水平力;e)因地震影響而產生的水平推力。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)水平力是短時間的作用力外,其它作用力則是經常或長時間的作用力。而坯料熱膨脹產生的側向水平推力,當活動梁將坯料從固定梁上取走或放回到固定梁時,這個力就消失了,因而在計算瞬時應力時僅計算地震力的影響。3.2水平沖擊力的計算在對立柱受力分析的基礎上,針對坯料的受力情況應采用相應的力學計算式,在計算上,凡是固定立柱和活動立柱上相同的受力其計算方法和公式都相同。立柱計算簡圖見圖4,圖中:Ps—鋼坯對立柱產生的水平沖擊力;Pbe—水梁自重對立柱產生的水平沖擊力;Pps—立柱自重產生的水平沖擊力;Hs、Hbe、Hps—各水平沖擊力到立柱計算點的高度。以各水平力的作用點到立柱計算點的尺寸為計算高度,則立柱計算點的彎矩為:立柱計算點的應力為:式中:W—立柱的截面系數,cm3。下面分別介紹每種受力的詳細計算方法:3.2.1冷態邊界時立柱應力釋放的計算水梁因受熱膨脹而產生的縱向水平力與梁的承受載荷無關,只與柱的縱向間距及其間梁的長度有關。理論上,冷態時立柱的預應力在熱態時應全部釋放,但實際上,由于存在冷態安裝精度的誤差和熱態冷預彎的殘余,因此,我們在計算立柱變形量f時,按立柱熱態柱端位移仍有冷態的1/2考慮,其計算公式為:式中:e1—計算點的作用應力,kg/cm2。3.2.2水梁和立柱的質量大小由移動框架運動而產生的對立柱水平沖擊力與框架移動的加速度大小、坯料荷重的大小以及水梁和立柱的自身重量大小有關。其計算公式為:鋼坯產生的水平沖擊力:水梁自重產生的水平沖擊力:立柱自重產生的水平沖擊力:式中:W—為立柱計算截面的截面系數,cm3。3.2.3鋼坯受地震影響而產生的水平力地震對立柱所產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。鋼坯受地震影響而產生的水平力P3.s,其關系式為:式中:＿—鋼坯與墊塊間的摩擦系數;k—地震水平推力系數,與地震強度有關。立柱自重受地震影響而產生的水平力P3.sp各水平力對計算點的彎矩為:相應的計算點的應力為:3.2.4桿件的長度和截面積的計算坯料對立柱的正壓力使其產生的彎曲按中心受壓桿來計算。在計算中可以認為是一端嵌固,一端自由的壓桿。其計算過程如下:桿的細長比:λ=lk/i桿件的計算點應力為:式中:lk—桿件計算長度cm;i—立柱的最小回轉半徑cm;A—計算點的截面積cm2;h—根據λ值查得的折減系數。3.2.5el、p3、p4應力模型綜合1～4的計算數據,立柱的工作狀態有兩種:經常作用的長期應力和瞬間作用的瞬時應力。長期應力eL包括P1、P2x、P4作用下對立柱產生的應力,其計算式為:固定立柱:eL=e1+e4kg/cm2活動立柱:eL=e1+e2+e4kg/cm2對立柱而言,由于在地震水平力作用的同時,長期作用力仍然在作用,所以瞬時應力eτ包括長期應力eL和地震水平力P3x產生的應力,其計算式:3.3設計規范條件的應力對于長期應力,因水梁、立柱是在爐內工作的構件,eL應小于設計規范規定的許用應力。對于瞬時應力,我們只考慮其應力對立柱不產生永久變形。eτ也應小于設計規范規定的許用應力。根據以上計算結果,即可選擇合適的鋼管截面尺寸。4估算法4.1簡化無活動裝置的立柱受力,引起水梁力的上升或停止時,立柱的管該種方法是根據多年的經驗總結出來,并為國內外幾座爐子的實踐證明了的。它將立柱的受力簡化成兩種a)由板坯及水梁、立柱自重產生的垂直載荷的作用;b)步進梁抬起板坯之后,前進或停止時產生的水平慣性力的作用。步進梁立柱的受力圖見圖5。4.1.1壁厚的質量表現通過對多座爐子的水梁立柱計算,我們得出結論:決定步進梁立柱直徑和壁厚的不是強度,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計規定值[δ],立柱的強度是大大有余的。因此,在計算步進梁立柱時,可以只進行剛度計算,而不進行強度計算。4.1.1.p坯—1水平推力的計算水平推力為:式中:Q—水平推力,kg;P坯—支撐鋼坯的幾根步進梁上板坯的總重量,kg;n—支撐鋼坯的幾根步進梁立柱的總根數;k—推力系數。4.1.1.根據受力狀態的位移立柱在水平推力作用下,會產生一水平位移,而此時將立柱看成兩端固定的受力狀態,可按下式計算產生的位移:式中:W—立柱在推力Q作用下產生的位移,cm;H—立柱的實際高度,cm;E—鋼材的彈性模數,kg/cm2;I—立柱管的慣性矩,cm4;Q—水平推力,kg。4.2梁柱法的計算固定梁立柱只承受垂直載荷的作用,在計算其強度的同時,應考慮其穩定性,固定梁立柱的受力圖見圖6。4.2.1垂直負荷p的選擇用承受最大極限負荷的水梁上的支點反力的最大值與立柱的自重(管子、保溫材料、水的重量)之和來作為垂直載荷。4.2.2桿件的求取折減系數垂直載荷使立柱產生的彎曲按中心受壓桿來計算。在計算中可以認為立柱是一端嵌固,一端自由的壓桿。其計算過程如下:桿的細長比:λ=lk/i式中:lk—桿件計算長度,cm;i—立柱的最小回轉半徑,cm;h—根據λ值查得的折減系數;[e]—鋼材的許用應力,kg/cm2。用以上的公式,即可選擇合適的立柱管徑和壁厚。5采用兩種方法計算立柱的胸徑筆者先后采用精確計算法和估算法分別對兩座大型步進梁式加熱爐的水梁立柱管進行了計算,其計算結果見表1:從上表可以看出,對固定梁立柱,采用兩種計算方法的計算結果有些差別,用精確計算法計算的立柱管徑要比用估算法計算出的立柱管徑大約兩個規格;而對步進梁立柱,用兩種方法計算得出的結果比較接近。由于用估算法計算立柱時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,則立柱的規格還可能減小一些。6立柱的測量計算從以上介紹可知,水梁立柱管的兩種計算方法各有優劣。精確計算法結果較為準確,但計算步驟多而繁瑣;估算法簡潔方便,但準確性低一些。雖然也用估算法計算過幾座爐子的立柱管,并且在生產過程中也未出現過問題。但我們過去設計的所有爐子的瞬時工況都沒有達到過設計的最惡劣的條件,目前也沒有任何實驗手段證明在最惡劣工況下我們計算的立柱管是否可靠。因此,我們建議,在報價、可研等高階段,為方便省時,可以采用估算法,但計算出的固定立柱管最好加大1～2個規格;而到了詳細設計階段時,應分別用兩種計算方法計算立柱管,比較結果,取較大者為設計值。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—對計算點的彎矩,kg·cm;W—立柱的截面系數,cm3;Gs—坯料對立柱的作用力,kg