基于STAAD/Pro对工程项目中重要结构件的力学分析

马爱霞 李晔 马倩

摘要：本文根据作者工程实践并以神华新疆某项目重要结构件变形问题和解决过程为例，通过STAAD/Pro分析结构受力，给出了一种比较准确的优化加固方法。

Abstract： Based on the author's engineering practice and taking the deformation problem and solution process of an important structural member of a project in Shenhua Xinjiang as an example， this paper analyzes the structural force through STAAD/Pro， and gives a more accurate optimization and reinforcement method.

关键词：STAAD/Pro;机架钢结构;结构分析

Key words： STAAD/Pro;frame steel structure;structural analysis

中图分类号：TU391                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0100-02

0  引言

随着国家对环保要求的重视提高，大型筒仓组的出现，在国内采用筒仓储存散装物料成为流行趋势，与其相配套的多个仓顶卸料车被广泛采用。作为卸料车的重要结构件机架，为了达到安全、经济、合理、高效的设计目标，采用支持国际规范的并且被国际工程界认可的结构设计软件进行结构设计必不可少。而卸料车的机架结构立柱横梁数量较多，往往是超静定的空间结构，手工计算比较繁琐，为了准确快速的进行结构设计，借助有限元分析软件获取准确的构件型材是非常方便有效的途径之一。

STAAD/Pro软件是美国BENTLEY公司拥有知识产权的结构分析与设计软件，支持平面、空间结构建模，在处理空间杆件和板壳模型上方便快捷，特别是针对立柱横梁数量较多的机架结构受力复杂，计算时无规范和公式可依，软件能够得出结构突变处的应力集中情况，进而优化构件传力和筋板布置，消除设计隐患。

1  机架总计算原则

依照相关规范，采用许用应力法计算。规范规定，机架结构应进行强度、刚度和稳定的计算，并满足规定的要求。计算时一般不考虑材料塑性影响，也不进行疲劳强度计算。结构按工作时的最大荷载情况进行强度、刚度和稳定性的计算。由于机架结构属于空间框架，构件连接形式多样使受力和传力相对复杂，若采用手工计算简化模型可能会导致结果出现较大误差，另外须综合考虑的组合工况数量较多，为了求得更为准确的结果，采用计算机有限元程序获取构件的内力，再对关键部位进行校核。

2  项目总基本数据资料

2.1 气象特征与环境条件

历年最高气温43.7℃（7月，2004），历年最低气温

-39.2℃;最大相对湿度100%，最小相对湿度5%;年最大降水量365.3mm，年最小降水量138.5mm;最大积雪深度43cm，基本雪压（50年一遇）0.9kN/m2;土壤最大冻深160cm（2月，1969）;最大风速（地面上层10m高处，10分钟的平均风速）15.3m/s。

2.2 地震烈度

本地区根据《建设抗震设计规范》（GB50011—2010）和《中國地震动参数区划图》（GB18306-2001），该地区地震烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.212g，设计特征周期为0.40s，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅲ类。

3  机架结构计算结果

3.1 机架基本资料

机架能承受下述荷载，且强度、刚度和稳定性足够：结构自重（包括设备及管道的荷载;机架钢结构设计除考虑本身荷载外，还考虑头部落料管及扶梯等的荷载）、物料重量、平台上活荷载（按不低于400kg/m2考虑）、风荷载、地震的影响等。除承受上述载荷外，机架能承受头部落料管下料引起的冲击荷载等因素而增加的荷载（如图1），优化加固后机架受力计算三维模型（如图2）。

3.2 基本参数

皮带宽度：1800mm;带速：4.0m/s;输送能力：4400t/h;卸料皮带倾角：14°;机架上皮带长：15.128m。

3.3 主要计算参数及载荷施加方式

皮带自重：15.128*49.4=747.3（kg）;尾架上托辊组重量：114.8+114.8+150+688.8+114.2=1182.6（kg）;尾架上物料重量：4400*15.128/3600*4.0=4.62（t）=4620kg;？准800改向滚筒自重：3447kg;电缆卷筒自重：1.5t=1500kg;落料管总成重量：9363kg;70.1m平台上所放设备重量：1.8+0.5+8+0.35≈10.65（t）=10650kg。

①尾架上皮带自重、托辊组重、物料重、改向滚筒重、电缆卷筒自重等之和折算后重约：8200（kg）/2=4100（kg）=41000N 按集中力施加于与机架相连的2个铰点处;落料管总成重量：9363/6=1560.5（kg）=15605N按集中力施加于与机架相连的6个支点处;机架70.1m平台上所放设备重量：10.65/（4*2+2.19）=1.045（kg/mm）=10.45N/mm按均布载荷施加;机架本身自重已有软件自动施加。②风载荷：由于设备处于室内，在此不考虑风载荷。③地震载荷：软件根据加载抗震烈度、建筑场地类别等数据自动生成。④机架上各处荷载加载示意图（图3）。

3.4 计算结果

①选用型材截面特性如表1。

②机架受力具体分布情况（如图4、图5）。

根据软件计算结果，构件应变图中划线处应变最大，通过计算可知优化加固前机架中此处最大应变值345.856mm，远远大于常规规定使用的许用应变值，不满足使用要求。优化加固后机架中此处最大应变值1.273mm，远小于常规规定使用的许用应变值，满足使用要求。

根据软件计算结果，构件应力图中划线处应力最大，具体应力云图如图6、图7、图8、图9。

通过计算可知优化加固前机架中此处最大应力值155.4N/mm2，该机架所有型材材质均为Q235，许用应力值[б]=235/1.5=156.7MPa，微小于该材质的许用应力值，基本满足使用要求，但此种情况我们一般不建议采用。优化加固后机架中最大应力值70.48N/mm2，该机架所有型材材质均为Q235，许用应力值[б]=235/1.5=156.7MPa，远小于该材质的许用应力值，非常满足使用要求。

4  结束语

通过手工计算结合有限元分析软件，可以很好的对实际工程运用中主要钢结构受力情况有一个整体性把握，提高设计可靠性。同时，经笔者多次运用该软件完成结构校核的结果来看，目前该有限元软件计算已经非常成熟可靠，只要使用区域正确、力学概念清楚、模型正确，那么计算结果的精准性都能保证。并且由于软件本身具有施加风、地震以及荷载组合和规范检验的便利性，可以有效的提高工作效率，该软件已经逐渐成为我们工作中的得力工具之一。

参考文献：

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[2]朱克林.钢结构焊接变形控制策略探讨[J].中国金属通报，2016：（6）.

[3]熊大胜.减少大型焊接结构件变形的措施[J].金属加工（热加工），2010（2）：49-50.