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两种钢支架结构体系对比与分析 　　【摘 要】根据某特种结构及其钢支架的特点，利用3D3S分别对两种不同结构体系建立计算模型，对结构进行了静力分析。通过对比分析两种模型设计荷载作用下结构的内力、变形和截面应力以及振型、周期，最后提出了合理的结构形式，为类似工程提供设计依据。 　　【关键词】钢支架；结构体系；对比分析 　　本特种结构的主体设备工作温度较高，可达到160℃，为避免高温膨胀引起的约束反力，主体结构柱脚与钢支架的连接需要特殊处理，以释放温度引起的本体结构变形。本文通过一个工程实例，对此有特殊要求的钢支架结构进行优化设计，并给出一些设计建议，以供参考。 　　1. 工程概况 　　本工程为某电厂新建的发电机组的配套设备项目，厂址区抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为II类，当地的基本风压0.55 KN/m2。拟建的钢支架柱顶标高11.60 m，柱底标高为0，长37.00 m，宽25.15 m，在2.60 m标高处有一工作平台。钢支架的柱子布置方式如图1所示。 　　图1 钢支架平面布置图 　　2. 结构体系的选择 　　此设备钢支架常用的结构体系有纯框架体系、柔性支架体系、柱——支撑体系和上柔下刚结构体系。 　　2.1 纯框架体系。此结构体系在纵、横两个方向均为多层刚接框架，其承载能力及空间刚度均由刚接框架提供，具有空间布置灵活、安装方便的优点，但是其节点构造较复杂，用钢量较多，抗侧刚度小。 　　2.2 柱——支撑体系。此结构体系中的梁柱节点均为铰接，在纵向与横向沿柱高设置竖向柱间支撑，其空间刚度及抗侧承载力均由支撑提供。其特点是设计、制作及安装简单，承载功能明确，侧向刚度较大，用于抗侧力的钢耗量较小，适用于各种高度的支架。 　　2.3 柔性支架体系。此结构体系不设横梁，只有支撑和柱，部分柱可随除尘器壳体的热膨胀移动，结构相对简单，耗钢量小，但受到斜撑角度的限制，一般用于支架高度在4~6 m范围的工程。 　　2.4 上柔下刚结构体系。有学者提出了将柔性结构与刚性结构相组合，称为上柔下刚结构体系。钢支架分为2层，底层为框架组成的“刚性结构”，上层为带支撑??摇摆柱“柔性结构”。这种结构融合了柔性结构和刚性结构的优点，目前也被一些工程设计人员采用，应用到了部分实际工程当中。对于本工程，由于钢支架高度较高，横行跨度较大，适用的结构体系有柱——支撑体系和上柔下刚结构体系。 　　3. 计算模型及荷载 　　本文针对钢支架分别采用两种不同的结构体系建立模型：（1）柱——支撑体系结构模型(记为模型1)；（2）上柔下刚体系结构模型(记为模型2)。使用3D3S软件分别建立两个结构体系的计算模型，通过对比分析两者的周期、振型、内力、变形和截面应力，得出合理的结构形式。 　　 　　表1 截面信息 　　3.1 体系布置。 　　（1）柱——支撑体系由柱、梁、支撑组成，柱脚固定，支撑两端铰接，梁柱铰接。设备柱脚与钢支架的连接常用处理方式：在中心柱处固定，让其余柱脚活动，柱脚下面垫一块聚四氟乙烯板或者使用导向滑移支座。聚四氟乙烯板与钢板的摩擦系数为0.1~0.15，摩擦力较大，导向滑移支座的摩擦力很小，可以忽略。本工程中可采用导向滑移支座的方式来释放温度引起的设备主体结构变形。其结构布置如图2所示。 　　 　　图2 模型1结构布置图 　　图3 模型2体系结构布置图 （2）上柔下刚体系的下层由梁柱支撑组成，柱脚固定，支撑两端铰接，梁柱刚接。上层由柱和支撑组成“摇摆柱”结构，中间轴线上的柱由支撑控制其位移，向指定方向活动，其他柱不设支撑，可随灰斗短柱的移动而产生位移。其结构布置如图3所示。 　　3.2 模型及荷载。 　　（1）针对以上两种结构形式下的钢支架，使用3D3S结构计算软件分别建立模型。柱采用宽翼缘H型钢，梁采用中翼缘H型钢和双扣槽钢，支撑采用钢管和双扣槽钢。为便于比较，两个模型尽量采用相同的构件截面进行计算分析，所有构件都选用Q235钢。截面信息如表1所示。 　　（2）两种模型以相同的荷载考虑：恒荷载主要是上部设备自重，保温层、相关电气设备和其他围护件重量；活荷载主要是积灰荷载，检修平台活荷载；基本风压为0.55 KN/m2；雪荷载取0.4 KN/m2；抗震设防烈度为7度，地震影响系数最大值为0.12。其中柱顶施加的恒荷载和活荷载如表2所示。 　　 　　表2 作用在钢支架柱顶的荷载 　　4. 计算结果及分析 　　4.1 自振周期和振型。经过分析，两种模型的振型相似，第一振型是y方向的平动，第二振型是x方向的平动，第三振型是扭转振动。模型2的自振周期相比模型1大了25%~40%，前三阶振型的自振周期见表3所示。 　　 　　表3 两种模型的周期 　　（1）通过模型1的振型图可以得出：柱子在前3阶振型中平动与转