基于ANSYS的钢结构发酵塔设计方法研究* 基于ANSYS的钢结构发酵塔设计方法研究*
李 成1,2 王新敏2 李玉学1
(1. 石家庄铁道大学土木工程学院， 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所， 石家庄 050043)
摘 要：以用作垃圾处理站的发酵塔结构为例，介绍发酵塔结构设计计算的主要思路及具体步骤，利用ANSYS软件对发酵塔结构进行结构设计和计算，通过结构的应力、变形以及稳定性分析，对结构的安全性进行评估。最后，总结了在设计的过程中应该注意的相关问题，可供类似结构的设计参考。
关键词：钢发酵塔； 结构设计； 有限元分析； 稳定分析
0 引 言
筒仓是具有一定平面形状并用来存放松散状物料(如粮食、饲料、化肥、煤、水泥)等的构筑物[1]。筒仓结构由于具有存储面积大、占地面积小、机械化作业程度高等优势而被广泛应用于建材、矿业、农业、化工、物流、电力等行业中。现在，筒仓结构正在向着大直径、轻型化、智能化、电气化、多功能等方面发展[2]。
虽然筒仓结构有诸多优点并发展迅速，但由于相关规范不够健全或设计经验不足，导致很多筒仓存在安全问题[3]。例如，《钢筒仓设计规范》(征求意见稿)[4]中根据整个结构的传力体系以及环梁、斜梁等构件的受力性能不同进行了不同程度的简化，导致最终结构的受力状态与实际结构有所偏差。并且，筒仓结构大都在偏远山区或者城市郊区建设，由于气候条件复杂，构件的受力情况变得更加多样化，因此这些地方筒仓的受力情况以及整体稳定性变得更加重要[5]。
发酵塔结构是筒仓结构的一种表现形式，本文通过大型通用有限元计算软件ANSYS对发酵塔结构进行整体设计以及静力计算。为了避免空间结构在简化过程中发生与实际受力情况的偏差，本文采用整体建模、整体分析的方法，对整体结构进行研究，以达到尽可能真实、完整地仿真结构的目的。本文首先根据发酵塔的使用功能以及工艺要求确定结构的设计方案，初步确定梁、板、柱、加劲肋的截面形式和尺寸；然后根据规范的相关要求进行荷载的统计、计算以及根据不同工况进行荷载组合。通过初选的截面以及荷载利用ANSYS建立模型并计算，根据计算的结果调整截面尺寸，最终满足相关的规范的设计要求。
1 结构形式及荷载取值
1.1 结构设计方案
本结构侧壁直径8 m，侧壁高度14 m，结构总高度17 m，结构方案如图1所示。
图1 发酵塔结构方案
结构方案选择是结构设计的核心，由于发酵塔结构属于构筑物，所受的荷载较大，梁、板、柱等构件的布置显得尤为重要。每层垃圾的荷载直接由楼板承担，楼板通过传力构件传到每层的梁上，梁再将荷载传递给竖向承重构件柱。同时，柱子也起到了抵抗水平力(风荷载和地震作用)的作用。
为了保证垃圾在“上一层”发酵的过程中能够顺利通过楼板进入“下一层”，在结构梁的截面选择上优先选择了翼缘宽度较窄的工字钢。并且在工字钢翼缘上焊接钢板形成“人”字形，防止少量垃圾被工字钢阻挡，最大限度满足了工艺的要求。其细部构造如图2所示。
图2 焊接钢板细部构造示意
主梁的起拱借鉴了斜拉桥的设计理念，楼板通过竖向吊杆与主梁相连。通过调整起拱量找到最佳的梁、柱截面，起拱的设计既减小了梁的截面，降低了工程的造价，又起到了减少垃圾堆积的作用。主梁交汇处节点平面和剖面如图3所示。
a-平面； b-剖面。
图3 主梁中心节点
加劲肋的设置有效防止了围护钢板在荷载的作用下“鼓包”现象的发生。同时也与环梁一起对柱产生约束作用，增强了结构的整体性，防止柱子位移过大。
结构各部分初步设计如下：1)主梁采用I36a型工字钢，跨中处起拱0.5 m(考虑到堆料荷载比较大，跨中起拱可以有效降低梁的应力)；环梁采用I25a型工字钢；顶部环梁和斜梁均采用I16型工字钢，进料口采用15 mm厚钢板卷成。2)8根柱均采用250×250 H型钢。3)侧板采用钢板，厚度取为8 mm。4)加劲肋由10号槽钢组成，每个楼层设置两道加劲肋。5)顶盖采用8 mm 钢板围成。
1.2 荷载取值
结构主要承受电机荷载、垃圾堆载、风荷载、雪荷载、积灰荷载及地震作用。
1)电机荷载。采用集中荷载8 kN，以集中荷载作用在中间环梁上，计入1.1的动力系数。
2)垃圾堆载。对侧壁的侧压力，其计算方法可以参照土力学进行计算，根据主动土压力计算:
(1)
其中 Ka=tan2(45°-φ/2)
式中：Ea为静止土压力；γ为墙背填土的重度；H为挡土墙高度；Ka为静止土压力系数；φ为填土的内摩擦角。
3)风荷载。根据当地风荷载情况，取基本风压为0.35 kN/m2，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》按照式(2)进行计算：
ωk=μsμzβzω0
(2)
式中：ωk为风荷载标准值；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压。
4)雪荷载。雪荷载只加到顶层屋盖上，按照式(3)进行计算：
Sk=μrS0
(3)
式中：μr按30°斜坡屋面，左右二坡均匀分布的情况计算；S0按石家庄地区10年一遇的基本雪压取值。
5)积灰荷载按0.3 kN/m2的均布荷载计算。
6)地震作用。依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，采用底部剪力法进行计算。本地区抗震设防烈度为8度，地震分组为第二组，基本地震加速度为0.20g，场地类别为Ⅱ类。则每层水平地震作用：
(5)
式中：Gi为集中于质点i的重力荷载代表值；FEK为结构总水平地震作用标准值；δn为顶部附加地震作用系数；Hi和Hj为质点i、j的计算高度。
7)荷载组合。
a.由可变荷载控制的组合(工况1)：1.2自重+1.3堆载+1.4×(0.6风+0.9积灰+0.7积雪)。
b.由永久荷载控制的组合(工况2)：1.35自重+1.3×0.7堆载+1.4×(0.6风+0.9积灰+0.7积雪)。
c.考虑地震作用的组合(工况3)：1.2(自重+堆载)+1.3水平地震。
由于垃圾堆料作为活荷载起控制作用，故采用第1种由可变荷载控制的组合。
综合考虑分析，本文选用工况1和工况3进行相关计算分析。
2 有限元模型的建立
本文采用ANSYS软件对所设计的发酵塔结构进行仿真模拟和计算。由于ANSYS中单元的种类和数目众多，因此在实际模拟仿真的过程中必须掌握ANSYS中各类单元的特点、特性和使用方法。
ANSYS中Beam 189单元为3D二次有限应变梁元，适用于分析细长到中等细长的梁结构。该单元基于铁摩辛柯梁理论，包括剪切变形的影响[6]。Shell 63单元称为4结点弹性壳单元，具有弯曲和膜特性，能承受面内和法向荷载。根据构件的受力特征以及ANSYS中单元的特性，在ANSYS有限元分析过程中，对梁、柱以及加劲肋采用Beam 189单元进行仿真模拟，对钢板采用Shell 63单元进行仿真模拟。
由于仅对上部结构进行分析，基础对柱底具有完全约束的作用，因此，对所有柱子底部的X、Y、Z方向进行约束作为该有限元分析的边界条件。发酵塔结构的几何模型和有限元模型如图4所示。
a-几何模型； b-有限元模型。
图4 发酵塔结构
3 计算结果分析
3.1 结构静力分析
根据发酵塔结构的受力情况，需要对两种不同的荷载状况进行分析，通过ANSYS的计算，将两种工况下结构各主要部位的最大等效应力和最大位移列于表1。
表1 两种工况的计算结果
部位工况1最大等效应力/MPa最大位移/mm工况3最大等效应力/MPa最大位移/mm楼面主梁132.010.098.58.2顶部小环梁31.88.320.57.1顶部大环梁42.28.425.67.2顶部斜梁16.99.610.88.1周围环梁104.28.965.17.5柱子69.78.454.27.6加劲肋52.2—29.8—
从表1可以看出：在本设计中，钢材全部采用Q235，结构各个部位的最大等效应力均小于材料的设计强度(215 MPa)。在截面调整的过程中，考虑到“强柱弱梁”的原则，将柱子的截面取得略大一些，对抗震有利。柱子的最大水平位移为8.4 mm，最大层间位移角为8.4/17 000=1/2 024，满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求。因此，发酵塔结构在上述两种荷载状态下是安全的。
3.2 结构弹性稳定分析
结构的弹性稳定分析属于第一类失稳问题，其目的就是要求解临界荷载值，在ANSYS中对应的分析类型是特征值屈曲分析。第二类失稳和第三类失稳问题，在ANSYS中对应的是结构静力非线性分析，无论前屈曲平衡状态或后屈曲平衡状态均可一次求得，即“全过程分析”[7]。
在利用ANSYS进行结构的弹性稳定分析时，由屈曲分析所得到的特征值即屈曲荷载系数，而结构的屈曲荷载等于该系数乘以所施加的荷载[5]。
本文分析结构稳定性通过屈曲荷载特征值的方法来进行，既包括整体稳定也包括局部稳定。在工况1下，结构的屈曲荷载特征值为4.831 2，即结构的屈曲荷载为工况1所施加的荷载的4.831 2倍，在工况3下，结构的屈曲荷载特征值为5.234 6，即结构的屈曲荷载为工况3所施加的荷载的5.234 6倍。所以，在这两种工况下结构均不会发生屈曲失稳破坏。
4 结束语
本文在发酵塔结构工艺设计给定的前提下，利用ANSYS软件对发酵塔结构进行了整体仿真计算，再利用CAD完成了结构设计以及施工图的绘制。
通过分析计算，结构在设计荷载的作用下是安全的。在施工的过程中需要严格按照相关的施工规程进行施工，保证主要节点连接处焊缝的质量满足设计及相关规范要求。
参考文献：
[1] GB 50077—2003 钢筋混凝土筒仓设计规范[S].
[2] 袁龙飞,李晓文,白国良，等.对《钢筋混凝土筒仓设计规范》有关问题的思考[J].工业建筑,2012，42(1):149-153.
[3] 周永强,高政国.巨型贮煤筒仓有限元分析[J].工业建筑,2007,37(增刊):351-355.
[4] 钢筒仓设计规范(征求意见稿)[S].
[5] 贮仓结构设计手册编写组.贮仓结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:121-123.
[6] 王新敏,李义强,许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京:人民交通出版社,2011:362.
[7] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007:268.
RESEARCH OF DESIGN METHOD FOR STEEL FERMENTATION TOWER STRUCTURE BASED ON ANSYS
Li Cheng1,2 Wang Xinmin2 Li Yuxue1
(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)
ABSTRACT：This paper introduced the main ideas and specific procedure of design calculation of fermentation tower structure through the example of fermentation tower structure,which was used for waste disposal station.The structure design and calculation of fermentation tower structure were conducted by using the FE software ANSYS, the safety of the structure was also evaluated through the analysis of the stress, deformation and stability of the structure. Finally, the related issues should be noticed in the process of design were summarized, which could provide a reference for the design of similar structures in the future.
KEY WORDS：steel fermentation tower; structure design; finite element analysis; stability analysis
*国家自然科学基金(51278314)；河北省高等学校科学技术研究优秀青年基金项目(YQ2013028)；石家庄铁道大学优秀青年基金(Z9901503)。
第一作者：李成，男，1989年出生，硕士研究生。
Email：licheng0668@126.com
收稿日期：2015-04-16
DOI：10.13206/j.gjg201508013