《浅谈大型布袋除尘器壳体的结构设计及计算》.docx
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《浅谈大型布袋除尘器壳体的结构设计及计算》
浅谈大型布袋除尘器壳体的结构设计及计算
张军强王力腾
（中国大唐集团科技工程有限公司北京市海淀区紫竹院路120号100097）
摘要布袋除尘器起大型化，要求除尘器壳体合理设计，本文主要介绍了利用钢结构分析软件对布袋除尘器壳体进行分析计算比较，以期对大型布袋除尘器壳体的设计有所帮助
关键词除尘器壳体设计板筋结构
1．综述:
随着现代工业发展对环境的破坏，保护环境已变得越来越重要且紧迫，对于环境主要污染物之一粉尘的治理已越来越受到人们的重视,布袋除尘器作为现阶段最高效的除尘设备,在冶金、建材等高粉尘污染行业已经得到了日益广泛的应用，而且单体除尘器有大型化发展趋势，但目前针对大型布袋除尘器壳体结构的设计并无成熟的设计理论及规范要求，除尘器的使用条件复杂，考虑因素繁多：
支撑强度、露天布置时风荷载雪荷载的变化、运行时正负耐压、冷热膨胀、烟气腐蚀、飞灰磨损、工艺布置等，在实际工程项目设计中，只能采用类比法，并根据相关设计人员的经验进行设计,从结果上看，良莠不一；或造成结构庞大材料浪费;或钢结构失稳失效；或本体壳体严重永久性变形，甚至造成除尘器壳体吸瘪、坍塌等安全事故，严重影响除尘器的运行安全。
对于大型布袋除尘器壳体在设计计算时，有关设计规范较少,我们建议荷载计算参考《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001），强度稳定校核参考《钢结构设计规范》（GB50017—2003），由于其结构复杂、计算过程繁琐、采用手工简化计算时计算量大准确定不高甚至无法计算,随着计算力学、计算机技术及其软件的发展，实际项目中多采用计算机辅助设计计算,主要采用计算分析软件主要有两类，一类以ANSYS、SAP2000为代表的有限元分析软件，软件主要包括三个部分：
用于实体建模的前处理模块、用于应力应变分析计算的分析计算模块和用于对分析计算结果输出的后处理模块,其主要优点主要是能够对每个构件个部分的应力应变做出精准的分析计算，缺点是此类软件多为国外软件，对计算结果不易按照中国国家标准对构件进行进行设计验算；另一类主要是以3D3S、PKPM等为代表的结构设计软件，不仅包括前处理模块、分析计算模块及后处理模块,还包括能够依据国家标准对构建单元强度稳定性进行验算的设计验算模块，其主要优点是能够对各构件依据国家标准进行强度稳定验算,缺点是以构件为单位进行应力应变计算分析，对于板筋结构需设计人员简化处理，因而分析结果与实际结果之间有一定的偏差.在实际工程设计时可视具体情况综合使用,对比参照。
2．工程实例：
以下通过某工程实例，简述利用钢结构分析软件对除尘器壳体结构的设计计算:
2.1除尘器工艺参数
基本风压：
0。
55KN/m2；基本雪压：
0.65KN/m2；大气压：
98.6Kpa;地震烈度7度，地震加速度0.10g；场地土类别Ⅱ类；除尘器设计压力：
–9。
0KPa~+9。
0kPa.除尘器底部为高10。
25米的钢支架,钢支架顶部为底梁，灰斗吊挂于底梁，底梁上部为高14.6米的除尘器壳体，壳体部分包括外壁板、内隔板、内支撑及顶板。
沿烟气方向为除尘器进风喇叭口及出风喇叭口，进、出风喇叭口固定与除尘器壳体，壳体顶部为清灰等附属设备，壳体内部吊挂滤袋及袋笼等设备荷载。
图1除尘器示意图
2。
2壳体构造
壳体板：
除尘器外壳、袋室间隔板及壳体顶盖均为板筋结构，采用5mm厚Q235钢板制作，主要起围护及密封作用，同时抗风荷载、地震荷载引起的侧向力.
加强筋：
用热轧角钢制作,用于支撑壳体板。
壳体梁:
用槽钢制作，用于支撑加强筋及承担负压等水平力。
壳体内支撑：
用钢管制作,用于支撑框架梁及抗壳体侧向力。
立柱:
用热轧H钢制作，用于支撑壳体及承担垂直荷载.
图2除尘器壳体示意图
2。
3荷载分析
依据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2006）及《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）对以下荷载进行计算及组合
2。
3。
1地震荷载
在本示例工程中,依据除尘器工艺参数及《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）中规定在分析软件中输入相关地震参数（见图3）,在对模型进行内力分析时选择地震周期振型分析,则分析软件自动计算分配地震荷载
图3地震参数输入图
2。
3.2风荷载
分析软件中根据气象条件输入基本风压值0.55KN/m2，设定受力单元为壁板加强筋，设定体型系数为0。
8—（0。
5）,分别按X向及Y向两种工况施加于计算模型。
2。
3.3检修荷载
检修荷载标准值取
=2.0KN/m2，分布在花板及屋顶两层,在模型中按均布活荷载施加,其中在壳体顶盖处按均布荷载施加于角钢加强筋，计算公式为：
（
-——施加于角钢加强筋的均布检修荷载；
———加强级间距）
花板处按均布活荷载施加于花板支撑梁,每个花板对其四边的加强梁产生的均布荷载计算公式为：
（
—--施加于花板支撑梁的均布检修荷载;
———花板支撑梁间宽；
-—-花板支撑梁间长；
———花板支撑梁长,为a或者b的尺寸）
2.3。
4雪荷载
在本工程中由于检修荷载标准值取2。
0KN/m2＞基本雪压值0。
65KN/m2，因此在荷载组合时不组合雪荷载。
2.3.5重力荷载
重力荷载为恒荷载，包括：
壳体重量、保温重量，由壁板加强筋承担，按均布恒荷载施加,荷载数值计算参考顶盖加强筋检修荷载的计算方法；滤袋重量、袋笼重量、滤袋挂灰重量，由花板承担，在模型中按均布恒荷载施加于花板支撑梁，荷载数值计算参考花板支撑梁检修荷载的计算方法;壳体顶部清灰系统等附属重量,为节点荷载,根据实际安装情况施加于壳体顶部个安装位置.
2。
3。
6负压荷载
负压荷载按照除尘器设计压力–9.0KPa～+9。
0kPa的要求设计，为均布恒荷载,，作用于所有壳体壁板，在计算模型中以壁板加强筋均布荷载的形式施加,其载荷值计算参考顶盖加强筋检修荷载的计算方法。
2。
4壁板计算
依据除尘器设计耐压值及板厚，对壁板的计算确定壁板加强筋的最大间隔，对壁板的计算按单项拉弯构件来计算，其计算方法如下:
跨中弯矩
强度
挠度
式中
——-不考虑板中拉力按简支板计算的跨中最大弯矩
，
取0。
1;
———不考虑板中拉力按简支板计算的跨中最大挠度,当为均布荷载时可取为
；
、
—-—分别为单位宽度板的截面积及抵抗矩；
———板中拉力
;
———单位宽度板的惯性矩；
———板单位宽度上均布荷载的标准值;
——-板面风度中的折算弹性模量：
（
为泊松比,取0.3）；
———系数，由方程
求得；
——-加强筋间距.
2。
5计算机建模及校核计算
2。
5.1结构简化
1）构造的简化
钢结构分析软件为杆系分析计算软件，无法直接对板筋结构进行分析计算,因次须对除尘器壳体进行结构分解，将其简化为杆系模型；
a。
壳体板简化处理：
不考虑板体的密封作用，按层设置的槽钢定义为主框架梁，垂直布置的外部角钢定义为小构造柱，小构造柱之间壳体板等效为柱间支撑且定义为拉杆形式,板体自重等效定义为垂直向下的均布恒荷载，负压载荷定义为垂直于板体的均布荷载.
b.梁柱的简化：
所有除尘器外围板及内部隔板加强筋简化为立柱、顶板加强筋简化为次梁，所有壳体梁简化为主梁。
c。
壳体内部支撑：
壳体内部支撑主要起平衡壳体负压及抗侧向力作用，结构中须设置为水平梁及柱间斜支撑的形式,在下列几种结构形式中选优。
2）构件截面的选择
a.加强筋截面的选择：
由于壁板的作用，加强筋实际有效截面为加强筋与壁板的组合截面，在模型中对下表截面进行分析计算选优（下表为负压作用平面内加强筋截面参数）：
加强筋规格
A
G
I
W
组合截面示意
cm2
kg/m
cm4
cm3
角钢
L50×5
12。
55
9。
85
54。
87
14.50
L63×6
15。
09
11.85
113。
00
26。
62
L75×8
19。
40
15.23
207.00
46.72
L90×8
25。
96
20。
38
399。
30
64。
77
L100×8
28。
15
22.10
538.82
74。
16
槽钢
［8
19.90
15。
62
191。
00
31.51
［10
22.65
17。
78
351。
40
48。
17
［12。
6
25。
84
20。
28
655.70
73。
90
［14a
28。
92
22。
70
884。
40
92。
05
[16a
32。
61
25。
60
1354。
00
126。
70
工字钢
工10
25.25
19。
82
420.50
57。
65
工12.6
29.52
23。
17
788。
50
89.30
工14
33.02
25.92
1106。
00
116.10
工16
38.03
29.85
1687。
00
159.40
工18
42。
96
33。
72
2408.00
207。
10
b.梁截面选择：
由于壳体梁主要承担加强筋传来的课题负压荷载，故壳体梁选择时尽量选择平面内的截面参数大而平面外小的型材,本项目出于制作安装方便考虑，采用槽钢双拼H形截面。
在模型中对下表截面进行分析计算选优（下表为负压作用平面内加强筋截面参数）:
组合梁规格
A
G
I
W
组合截面示意
cm2
kg/m
cm4
cm3
槽钢
［10
25.48
19.63
396.67
79。
33
［14a
37.01
29。
06
1127。
42
161。
06
［16a
43。
90
34。
46
1732.43
216。
55
［18a
51.38
40。
32
2545.45
282.82
［20a
57。
65
45.26
3560。
74
356。
07
c.柱截面选择：
柱为轴心受压构件，因此尽量选择截面性能各向相同的型材,出于制作安装考虑，尽量选择方形截面，在本项目中，选择宽翼H钢及以宽翼H钢封口制作的“日”字型组合截面.
立柱规格
A
G
Ix
Wx
Iy
Wy
cm2
kg/m
cm4
cm3
cm4
cm3
热轧H钢
HW100×100
21.59
16。
95
385。
70
77。
09
134。
00
26。
70
HW150×150
25。
00
19。
63
1620。
00
216。
00
563。
00
75。
09
HW200×200
63。
53
49。
87
4717。
00
471。
70
1601.00
160。
10
HW250×250
91.43
71。
77
10689.00
855。
09
3648.00
291。
79
HW300×300
118.45
92.98
20010.00
1334。
00
6753。
00
450.20
加强筋规格
A
G
Ix
Wx
Iy
Wy
cm2
kg/m
cm4
cm3
cm4
cm3
“日”字组合截面
HW100×100
38.38
30。
13
476。
72
95.34
475.22
95。
04
HW150×150
65.64
51.52
1988。
79
265。
17
1839。
20
245。
22
HW200×200
98.73
77。
53
5624.25
562。
42
4781.26
478。
12
HW250×250
135.83
106。
63
12571。
91
1005。
75
10045.36
803.62
HW300×300
172。
45
135。
37
23466。
47
1564.43
18111。
24
1207.41
d。
壳体内部支撑的简化：
壳体内部支撑为轴心受力构件,因此尽量选择截面性能各向相同的型材,在模型中对下表截面进行分析计算选优：
加强筋规格
A
G
I
W
组合截面示意
cm2
kg/m
cm4
cm3
圆管
φ108×6
19。
23
11。
85
250.91
46.45
φ133×6
23。
94
15。
23
483。
72
72。
73
φ159×6
28。
84
20.38
845。
19
106。
30
φ180×6
32.80
22.10
1242.71
138。
08
φ219×6
40。
15
2278.75
208.10
圆管组合
φ108×6
79.25
19.82
5808。
65
284。
73
φ133×6
83.96
23.17
7055.94
325.90
φ159×6
88。
86
25。
92
8571。
92
373.50
φ180×6
92。
81
29。
85
9975。
97
415.66
φ219×6
100.16
33。
72
13056.72
503。
14
2.5。
1建立实体模型
对简化后的壳体结构在分析计算软件中利用实体建模模块建立计算机模型,建立计算机实体模型是各构件的方位及连接方式须与实际结构相同,模型建立后计算简图见图4：
图4计算简图（圆表示支座,数字为节点号）
2.5.2受力分析及验算
先检查计算模型的单元释放、计算长度、构件方位及支座等的定义是否正确，然后将风荷载导为各受力构件的单元荷载，接着进行地震荷载的定义及计算,最后进行内力分析及设计验算，现将计算步骤见图5：
图5计算步骤图
2.5.3结构优化调整
通过比较采用不同种类型钢及结构方式、连接方式,综合各方因素确定最优方案。
1）壁面加强筋选择采用等边角钢、不等边角钢、槽钢、工字钢等，最后确定横梁采用双拼槽钢,立筋采用等边角钢；
2）箱体板间隔设置立柱，原考虑采用HW200×200、HW300×300，考虑加工制作、安装统一方便，最后统一采用HW200×200规格，个别立柱从稳定性考虑，将H型钢开口处用钢板封口处理，提高钢柱截面力学性能;
3）经过软件分析，梁柱之间连接采用刚性或铰接形式,最大应力位置变化较大,一般采用铰接方式，个别处采用刚性方式。
2.5。
3计算结果分析
经过对模型的多次调整优化，最终的计算结果见表1、表2、表3、表4、表5、表6（由于结果复杂，单元节点数量繁多，只列举最不利的前10个单元计算分析数据）:
表1“强度应力比"最大的前10个单元的验算结果（所在组合号／工况号）
序号
单元号
强度
绕2轴
整体
稳定
绕3轴
整体
稳定
绕2轴
抗剪
应力比
绕3轴
抗剪
应力比
绕2轴
长细比
绕3轴
长细比
沿2轴
W/l
沿3轴
W/l
结果
1
81
0.95（3/1）
0。
95
0.95
0.03
0。
00
74
68
1/620
0
满足
2
3299
0.95（3/1）
0。
95
0。
95
0.03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
3
96
0.94（3/1）
0。
94
0.94
0。
03
0.00
74
68
1/620
0
满足
4
3307
0。
94（3/1）
0.94
0.94
0。
03
0.00
46
86
1/378
0
满足
5
3288
0。
93（3/1）
0。
93
0.93
0。
03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
6
1231
0。
93（3/1）
0.93
0.96
0。
03
0。
07
31
52
1/1280
1/4549
满足
7
1198
0。
93（3/1）
0.93
0。
96
0。
03
0。
07
31
52
1/831
0
满足
8
1199
0。
93（3/1）
0.93
0。
96
0.03
0.07
31
52
1/831
0
满足
9
1230
0。
93（3/1）
0.93
0.96
0。
03
0.07
31
52
1/1412
0
满足
10
3296
0。
93（3/1）
0。
93
0.93
0.03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
表2按“强度应力比”统计结果表
范围
〉1。
05
1.05～1。
00
1.00～0。
80
0.80～0。
60
0。
60～0.01
单元数
0
0
281
463
2373
表3“绕2轴整体稳定应力比”最大的前10个单元的验算结果（所在组合号／工况号）
序号
单元号
强度
绕2轴
整体
稳定
绕3轴
整体
稳定
绕2轴
抗剪
应力比
绕3轴
抗剪
应力比
绕2轴
长细比
绕3轴
长细比
沿2轴
W/l
沿3轴
W/l
结果
1
81
0。
95
0。
95（1/1）
0。
95
0。
03
0。
00
74
68
1/620
0
满足
2
3299
0.95
0。
95（1/1）
0。
95
0.03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
3
96
0.94
0。
94（1/1）
0。
94
0。
03
0。
00
74
68
1/620
0
满足
4
3307
0。
94
0。
94（1/1）
0.94
0.03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
5
3288
0。
93
0.93（1/1）
0。
93
0。
03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
6
1231
0。
93
0。
93（3/1）
0。
96
0.03
0。
07
31
52
1/1280
1/4549
满足
7
1198
0.93
0。
93（3/1）
0.96
0.03
0。
07
31
52
1/831
0
满足
8
1199
0。
93
0.93（3/1）
0.96
0。
03
0。
07
31
52
1/831
0
满足
9
1230
0.93
0。
93（3/1）
0.96
0。
03
0。
07
31
52
1/1412
0
满足
10
3296
0。
93
0.93（1/1）
0.93
0。
03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
表4按“绕2轴整体稳定应力比"统计结果表
范围
>1。
05
1。
05～1。
00
1.00~0.80
0.80~0。
60
0。
60～0。
01
单元数
0
0
282
520
2315
表5“绕3轴整体稳定应力比"最大的前10个单元的验算结果（所在组合号／工况号）
序号
单元号
强度
绕2轴
整体
稳定
绕3轴
整体
稳定
绕2轴
抗剪
应力比
绕3轴
抗剪
应力比
绕2轴
长细比
绕3轴
长细比
沿2轴
W/l
沿3轴
W/l
结果
1
3132
0。
88
0。
88
0。
97（5/1）
0。
12
0。
01
36
63
1/702
0
满足
2
3131
0.88
0。
88
0.97（5/1）
0。
12
0.01
36
63
1/523
0
满足
3
1231
0。
93
0。
93
0.96（3/1）
0。
03
0。
07
31
52
1/1280
1/4549
满足
4
1198
0。
93
0.93
0。
96（3/1）
0。
03
0.07
31
52
1/831
0
满足
5
1199
0.93
0。
93
0.96（3/1）
0.03
0.07
31
52
1/831
0
满足
6
1230
0。
93
0。
93
0。
96（3/1）
0。
03
0。
07
31
52
1/1412
0
满足
7
81
0。
95
0。
95
0.95（1/1）
0.03
0。
00
74
68
1/620
0
满足
8
3299
0.95
0.95
0.95（1/1）
0。
03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
9
96
0.94
0.94
0.94（1/1）
0.03
0.00
74
68
1/620
0
满足
10
3307
0.94
0.94
0。
94（1/1）
0。
03
0。
00
46
86
1/378
0
满足
表6按“绕3轴整体稳定应力比"统计结果表
范围
〉1.05
1。
05～1.00
1.00～0.80
0。
80~0。
60
0。
60～0.01
单元数
0
0
300
534
2283
通过对最不利的前10个单元强度稳定及挠度的计算值统计及对所有单元的强度稳定性统计结果表明，在各种荷载按不同工况和组合作用下，所有构件的强度应力比小于1、抗剪应力比小于1、整体稳定应力比小于1、长细比及挠度均满足《钢结构设计规范》（GB50017—2003）中规定，说明结构的设计和选材是合理的。
3．结束语：
1）传统的手工计算或者二维分析计算软件在分析计算时，分别沿横向和竖向轴线将结构分解为平面框架，然后分别对每榀进行独立计算，计算机结果与实际相差较大。
2）钢结构分析计算软件对除尘器壳体按三维空间结构进行分析计算，能够真实模拟结构的各种受力及变形情况,因此计算结果更合理更准确。
3）对结构进行合理简化处理,正确建立分析计算模型，通过计算机受力分析及优化，满足除尘器工艺设计要求，保证整体结构的安全性。
参考文献
［1]钢结构设计规范，GB50071—2003,中国计划出版社，2003；
［2］建筑结构荷载规范，GB50009--2001,中国建筑工业出版社出版,2002；
[3]建筑抗震设计规范,GB50011-—2001，中国建筑工业出版社出版，2001；
[4］钱成绪编，火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法，中国电力出版社,2004；
[5]李宝熺,除尘设备中的板筋结构计算方法总结，第十二届全国电除尘学术会议论文集,2007；
[6]袁勤泽等，大型电除尘器灰斗及底梁的结构设计和校核，第十二届全国电除尘学术会议论文集,2007;
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