装配式带式输送机栈桥有限元分析

 吴春野1，2  殷志祥1

 （1．辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000；2．天地科技股份有限公司，北京100013）

摘  要：装配式输送机栈桥是近年来出现的一种应用于国外现代化矿井煤炭运输的新型结构形式，具有建设工期短、施工简单、造型美观等优点。但由于关键技术、施工工艺、造价较高等因素，目前在国内煤矿运输系统中并没有出现该结构形式。利用ANSYS有限元软件对单跨、双跨结构的静力特性进行了系统分析，并针对结构几何参数对其静力特性的影响进行了深入研究，得出提高结构静力特性的相关措施和结构的整体蒙皮效应。

关键词：装配栈桥；静力特性；有限元；参数分析；蒙皮效应

DOI:10. 13206/j.gjg201606016

0  引  言

 整体装配式带式输送机栈桥是近年来出现的一种应用于国外现代化矿井煤炭运输的新型结构形式，具有建设工期短、施工简单、造型美观等优点，如图1所示。该结构是由纵向封边梁、下部纵向主梁、横向次梁、预制混凝土楼板、侧折板、上部横梁（用于带式输送机悬挂）整体拼装而成，每段栈桥的长度均为36 m，所有的构件都是在钢结构厂内预先制造完成，现场只需进行简单拼装并将带式输送机安装后即可投入生产。

 目前，该结构在澳大利亚、美国的现代化矿井均有应用，但结构的制作和安装均是由生产带式输送机设备厂商以EPC交钥匙工程进行承揽，不仅销售输送机设备，同时还负责整个栈桥的设计、制造和安装，从而导致该项工程的造价非常之高。迄今为止，由于造价、关键设计技术等因素，在国内并没有该结构形式的应用实例。利用ANSYS软件对单跨、双跨结构的静力特性进行系统分析，并深入研究了上部横梁、折板起波尺寸等几何参数对其静力特性的影响，得出一系列在设计和加工过程中如何减小挠度、降低应力集中、提高整体刚度的相关措施，对该类结构在国内的研究和应用提供技术支撑。

1  有限元模型的建立

1.1  单元采用

 结构的纵向封边梁（2根[28，间距3.6 m）、下部纵向次梁（2根[20，间距1.2 m）、横向梁（[18，间距3m）及上部的水平横梁（[18，间距3m）均以Beam 188梁单元进行模拟，钢材为Q235，弹性模量E为2. 06×105 M Pa，泊松比为0.3。该单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，并基于铁木辛柯梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。每个单元有两个结点，每个结点有6个自由度，即沿坐标系x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。

 整个栈桥的围护钢板厚度h= 6.0 mm，每间距3m的竖向肋板以及预制混凝土楼板采用Shell 63壳单元进行模拟。该单元适合模拟弯曲及适当厚度的壳体结构，具有弯曲和薄膜特性。单元中每个结点具有6个自由度：沿x、y和z方向的平动以及绕x、y和z轴的转动。

1.2  计算假定及简图

 结构处于弹性阶段，不考虑塑性变形；楼面板和纵向梁的形心在同一个水平；对于单跨栈桥端部支座为铰接即对端部节点施加u x、u y、u z三个方向的线位移约束同时释放角位移约束；对于连续跨的钢走廊端部支座约束同上，但同样需要在每间隔36 m对应两侧的结点施加u y方向的线位移约束，形成连续的钢走廊（图2）。

1.3  荷载选取

 通过对满足结构正常使用条件下，结构的最不利荷载组合按照1.2恒载+1.4活载计算可知，楼面荷载为每个结点施加0.119 k N的竖向力，风荷载为迎风面每个结点施加0. 005 39 k N的水平力；背风面每个结点施加0. 003 36 k N的水平力，压型钢板屋面荷载为每个结点施加0. 077 8 k N的竖向力，另外在对上部水平横梁分别施加6.0 k N和1.5 k N的皮带运输机荷载。

2  静力特性分析

2.1  单跨装配栈桥分析

 利用有限元模型对单跨装配栈桥的竖向位移和应力进行分析，如图3、图4所示。

 由图3、图4分析可知：结构的最大挠度在跨中节点处，为0. 043 m;最大水平位移发生在上部侧面折板跨中部位，最大位移为0. 042 6 m；最大应力发生在侧面折板靠近支座处的两端，且均小于Q235钢材设计强度(210 M Pa)，满足设计要求。

2.2连续跨装配栈桥分析

 通过有限元模型对连续跨装配栈桥的竖向位移和应力进行分析，如图5、图6所示。

 由图5、图6可知：最大竖向位移发生在跨中节点处，为0. 028 4 m；最大水平位移发生在上部侧面折板靠近边缘支座处，最大位移为0. 018 7 m;整个结构的最大应力发生在跨中支座侧折板的上部，应力小于210 M Pa。

 综上，通过对单跨、连续跨结构在满足正常使用情况下最不利荷载组合的计算分析得出：在结构设计过程中应对侧面折板靠近支座端部、跨中上边缘处进行加厚处理，以提高结构的整体强度；在结构的跨中增加纵向封边梁、下部纵向主梁的截面尺寸、钢材强度等方法来控制结构的挠度。

3  几何参数对静力特性的影响分析

3.1  下部纵向次梁

 整个栈桥宽度为3.6 m，下部由2根封边纵梁和2跟纵向次梁组成，纵向次梁间距1.2 m，针对4种几何尺寸的下部纵向次梁，分别为2根[ 16、2根[18、2根[20、2根[22进行计算分析，通过对比可知随着几何尺寸的增大，跨中相同位置处的挠度和应力均有降低趋势。说明，通过增加构件几何尺寸可以增加结构的整体刚度。

3.2  围护板厚度

 不同围护板的厚度对位移和应力的分析见表1。

 随着厚度的增加，结构的跨中节点位移随着降低，最大应力集中处的应力也随着降低。说明围护板虽然只是结构的表面覆盖材料，但利用本身的刚度和强度对整体刚度起到加强作用，产生了蒙皮效应。

3.3  围护板的波纹高度

 选取围护板的波纹高度分别为0.1，0. 15，0.2，0. 25 m，经分析可知：随着波纹高度的增加，结构的跨中节点位移增加，最大应力集中处的应力也增加。说明围护板的波纹高度可降低蒙皮效应。

4  结  论

 1)在满足正常使用荷载情况下，结构发生最大位移和应力集中位置。在结构设计过程中，为提高结构的整体强度和刚度，需进行加厚处理的区域或增加截面尺寸、钢材强度的构件范围。

 2)下部纵向次梁是降低结构挠度的最有效构件，可通过增加其强度和截面尺寸来提高整体结构的承载能力。

 3)考虑围护板承载的蒙皮效应，随着板厚的增加可以提高结构的整体强度和刚度。