李浩

【摘要】本文通過介紹用MIDAS計算某鋼結(jié)構(gòu)濃密機的過程，從設(shè)計角度提出這種特種結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)化方案，以保證結(jié)構(gòu)安全，降低整體結(jié)構(gòu)的用鋼量，并對單元模擬、荷載施加、邊界條件和分析結(jié)果予以重點介紹。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)濃密機;MIDAS;有限元模型;弧形底板

1.引言

濃密技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的在礦物加工、濕法冶金、污水處理、膏體充填和尾礦干堆等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的一門新技術(shù)，濃密機也在礦山行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。然而，不同廠家的同種類型濃密機，其整體結(jié)構(gòu)的用鋼量卻有較大區(qū)別。本文采用MIDAS軟件對某55m直徑的深錐濃密機建立了有限元模型，進行風(fēng)荷載、地震荷載、自重、槽內(nèi)礦漿壓力荷載作用下的受力分析[4]，并根據(jù)計算結(jié)果對原設(shè)計提出了一些優(yōu)化建議。

2.結(jié)構(gòu)概況

濃密機由濃密機池體及支撐結(jié)構(gòu)兩部分組成，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02。鋼結(jié)構(gòu)池體及梁柱均選用Q355B鋼材，柱間支撐選用Q235B鋼材。

池壁高3m，從上至下0～1.5m，鋼板厚度為6mm;1.5～3m，鋼板厚度為8mm。橋架的支撐鋼柱采用HW175x175x7.5x11。

池底角度為13°。距離漏斗邊緣0～4m寬的范圍內(nèi)，鋼板厚度為8mm;4m～6.5m寬的范圍內(nèi)，鋼板厚度取為10mm;其他位置鋼板厚度為12mm。最下方漏斗，鋼板厚度為30～40mm。

支撐結(jié)構(gòu)的鋼柱為HW350x350x12x19，鋼梁為HN600x200x11x17，次梁為HW100x100x6x8，柱間支撐為圓鋼管φ108x5。

3.模型建立

3.1單元模擬

本結(jié)構(gòu)使用MIDAS-GEN進行計算，其中支撐結(jié)構(gòu)的柱、梁均采用梁單元模擬;柱間支撐采用桁架單元模擬;池體采用板單元模擬，池底為弧形。計算模型如圖1所示。

3.2荷載施加

3.2.1永久荷載

永久荷載包括池體及支撐結(jié)構(gòu)自重、橋架自重等。橋架荷載以集中力形式施加。自重通過軟件自動施加在-Z方向。

3.2.2可變荷載

可變荷載包括礦漿荷載，附加扭矩，風(fēng)荷載等。

根據(jù)設(shè)計要求，礦漿最大重度為12.0kN/m3，礦漿荷載以流體荷載的方式施加在池壁、池底及漏斗上，如圖2所示;附加扭矩約為5000kNm，以均布荷載的方式施加在橋架支撐結(jié)構(gòu)上;當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓ω0=0.5kN/m2，地面粗糙度類別為B類，風(fēng)荷載施以面荷載的方式施加在池體上，如圖3所示。

3.2.3地震荷載

地震作用采用反應(yīng)譜法進行分析。池體內(nèi)的礦漿質(zhì)量較大，對地震計算結(jié)果有較大影響，在采用軟件計算時應(yīng)當(dāng)考慮此部分的質(zhì)量。具體操作方法如下，首先在池壁上施加礦漿荷載，然后將礦漿荷載的方向修改為-Z方向，通過將荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的方式將礦漿質(zhì)量凝聚到池壁及池底板單元的節(jié)點上。

場地抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別Ⅱ類。據(jù)此得出反應(yīng)譜函數(shù)，如圖4所示。

3.3邊界條件施加

濃密機內(nèi)圈及外圈鋼柱柱腳采用鉸接連接，漏斗底面也按鉸接固定，僅約束X，Y，Z三個方向的位移。

4.計算結(jié)果分析

本文驗算了正常操作工況下濃密機的強度和變形，并驗算了考慮沉槽等極限狀態(tài)下濃密機池體及支撐結(jié)構(gòu)的強度。

4.1強度計算

池體強度校核的主要依據(jù)是《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》（GB50341-2014）[5]及《鋼制焊接常壓容器》（NBT47003.1-2009）[6]。支撐結(jié)構(gòu)強度校核時的主要依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[7]。強度計算結(jié)果如圖5～圖6所示。

4.2位移計算

正常操作工況下，池體變形及支撐結(jié)構(gòu)變形如圖7所示。此時，池體最大絕對位移為6.85mm，支撐鋼結(jié)構(gòu)的最大絕對位移為6.59mm，說明整體模型相對變形較小，剛度較好。

4.4模型細節(jié)

濃密機池底在建模時應(yīng)考慮底板弧形的影響，如圖8所示。池底板做成弧形可充分利用鋼板受拉能力，避免鋼板彎曲應(yīng)力過大。經(jīng)驗算，對于本文中的濃密機，池底做成弧形后，應(yīng)力計算結(jié)果降低約30%。

6.結(jié)論

6.1通過該模型計算發(fā)現(xiàn)，柱間支撐可隔跨設(shè)置，能夠滿足整體剛度的要求，同時也有利于池體下部空間的利用。

6.2池底做成弧形充分利用鋼板的受拉性能，受力更合理，同時可以優(yōu)化掉池底次梁及部分加勁肋。

6.3濃密機設(shè)計時，池底板應(yīng)避免采用扇形分割，可采用環(huán)形八卦式分割，這樣可減少鋼板的加工損耗率。

參考文獻

[1] 王新民，張國慶等.深錐濃密機底流濃度預(yù)測與外部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].重慶大學(xué)學(xué)報 2015， 38（6）： 1-7

[2] 彭業(yè)貴.24m濃密機的受力分析與改進[J].礦山機械，2005，33（11）：102-103.

[3] 閆少沖，張礫，蔣純.中心傳動高效濃密機驅(qū)動機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的選取[J].礦山機械，2017，45（11）：67-68.

[4] 鄭偉. 基于知識工程的濃密機結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計與分析[D].北京： 北京化工大學(xué)， 2014.

[5] GB50341-2014 立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

[6] NBT47003.1-2009 鋼制焊接常壓容器[S]. 北京：新華出版社，2009.

[7] GB50017-2017 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.