水梁与立柱的受力状态分析

水梁与立柱的受力状态分析

1水梁、立柱横向稳定性众所周知，梁和立柱是渐进梁加热炉的主要承载环节。钢圈位于梁上，立柱将力传递给移动框架。与推钢式炉不同的是,每根水梁、立柱虽然在纵向上是一个桁架结构,但在横向上是各自独立的。因此,水梁、立柱的横向稳定是设计者首要考虑的课题,尤其是我国的许多钢铁厂都处于地震带或地震影响区,这就更引起我们的注意。目前立柱的计算方法大致有两种:精确计算法和估算法,本文将对这两种方法作出介绍,并对两种方法的计算结果作出比较,供大家在以后设计中参考。2架式结构的特点水梁、立柱的结构简图如图1所示。从图上不难看出,纵向上水梁、立柱1(2)和炉底框架移动框架组成桁架式结构而在横向上则为一端嵌固、一端自由的受压杆件,立柱与水梁以及立柱与框架的连接均采用焊接结构。炉内的固定水梁、立柱只是支撑坯料,固定在炉底钢结构上不动。因此立柱的受力比较简单,而活动水梁与立柱不仅支撑钢坯,而且要搬运钢坯,所以它的受力比较复杂。下面分别对立柱的两种计算方法作详细说明。3活动立柱的受力分析3.1立柱受力状态分析固定立柱的受力状态见图2,作用于固定立柱上的力有:a)水梁受热膨胀对立柱形成的纵向(X方向)水平力;b)坯料作用力N(正压力);c)坯料受热膨胀而形成的横向(Y方向)水平力;d)地震产生的水平推力。3.1.2活动立柱的受力分析活动立柱的受力状态见图3,作用在活动立柱上的力有:a)水梁受热膨胀对立柱产生的纵向(X方向)水平力:b)由于移动框架在起动和停止时产生的加速(或减速)形成的水平冲击力作用;c)坯料的正压力N;d)坯料因受热膨胀而产生的横向(Y方向)水平力;e)因地震影响而产生的水平推力。从立柱的受力情况看除地震力和因坯料热膨胀而引起的横向(Y方向)水平力是短时间的作用力外,其它作用力则是经常或长时间的作用力。而坯料热膨胀产生的侧向水平推力,当活动梁将坯料从固定梁上取走或放回到固定梁时,这个力就消失了,因而在计算瞬时应力时仅计算地震力的影响。3.2水平冲击力的计算在对立柱受力分析的基础上,针对坯料的受力情况应采用相应的力学计算式,在计算上,凡是固定立柱和活动立柱上相同的受力其计算方法和公式都相同。立柱计算简图见图4,图中:Ps—钢坯对立柱产生的水平冲击力;Pbe—水梁自重对立柱产生的水平冲击力;Pps—立柱自重产生的水平冲击力;Hs、Hbe、Hps—各水平冲击力到立柱计算点的高度。以各水平力的作用点到立柱计算点的尺寸为计算高度,则立柱计算点的弯矩为:立柱计算点的应力为:式中:W—立柱的截面系数,cm3。下面分别介绍每种受力的详细计算方法:3.2.1冷态边界时立柱应力释放的计算水梁因受热膨胀而产生的纵向水平力与梁的承受载荷无关,只与柱的纵向间距及其间梁的长度有关。理论上,冷态时立柱的预应力在热态时应全部释放,但实际上,由于存在冷态安装精度的误差和热态冷预弯的残余,因此,我们在计算立柱变形量f时,按立柱热态柱端位移仍有冷态的1/2考虑,其计算公式为:式中:e1—计算点的作用应力,kg/cm2。3.2.2水梁和立柱的质量大小由移动框架运动而产生的对立柱水平冲击力与框架移动的加速度大小、坯料荷重的大小以及水梁和立柱的自身重量大小有关。其计算公式为:钢坯产生的水平冲击力:水梁自重产生的水平冲击力:立柱自重产生的水平冲击力:式中:W—为立柱计算截面的截面系数,cm3。3.2.3钢坯受地震影响而产生的水平力地震对立柱所产生的水平力与钢坯的正压力、梁的自重和立柱的自重大小有关。钢坯受地震影响而产生的水平力P3.s,其关系式为:式中:＿—钢坯与垫块间的摩擦系数;k—地震水平推力系数,与地震强度有关。立柱自重受地震影响而产生的水平力P3.sp各水平力对计算点的弯矩为:相应的计算点的应力为:3.2.4杆件的长度和截面积的计算坯料对立柱的正压力使其产生的弯曲按中心受压杆来计算。在计算中可以认为是一端嵌固,一端自由的压杆。其计算过程如下:杆的细长比:λ=lk/i杆件的计算点应力为:式中:lk—杆件计算长度cm;i—立柱的最小回转半径cm;A—计算点的截面积cm2;h—根据λ值查得的折减系数。3.2.5el、p3、p4应力模型综合1～4的计算数据,立柱的工作状态有两种:经常作用的长期应力和瞬间作用的瞬时应力。长期应力eL包括P1、P2x、P4作用下对立柱产生的应力,其计算式为:固定立柱:eL=e1+e4kg/cm2活动立柱:eL=e1+e2+e4kg/cm2对立柱而言,由于在地震水平力作用的同时,长期作用力仍然在作用,所以瞬时应力eτ包括长期应力eL和地震水平力P3x产生的应力,其计算式:3.3设计规范条件的应力对于长期应力,因水梁、立柱是在炉内工作的构件,eL应小于设计规范规定的许用应力。对于瞬时应力,我们只考虑其应力对立柱不产生永久变形。eτ也应小于设计规范规定的许用应力。根据以上计算结果,即可选择合适的钢管截面尺寸。4估算法4.1简化无活动装置的立柱受力,引起水梁力的上升或停止时,立柱的管该种方法是根据多年的经验总结出来,并为国内外几座炉子的实践证明了的。它将立柱的受力简化成两种a)由板坯及水梁、立柱自重产生的垂直载荷的作用;b)步进梁抬起板坯之后,前进或停止时产生的水平惯性力的作用。步进梁立柱的受力图见图5。4.1.1壁厚的质量表现通过对多座炉子的水梁立柱计算,我们得出结论:决定步进梁立柱直径和壁厚的不是强度,而是立柱的刚度。只要我们选出的立柱管在水平载荷作用下,其端部的位移小于设计规定值[δ],立柱的强度是大大有余的。因此,在计算步进梁立柱时,可以只进行刚度计算,而不进行强度计算。4.1.1.p坯—1水平推力的计算水平推力为:式中:Q—水平推力,kg;P坯—支撑钢坯的几根步进梁上板坯的总重量,kg;n—支撑钢坯的几根步进梁立柱的总根数;k—推力系数。4.1.1.根据受力状态的位移立柱在水平推力作用下,会产生一水平位移,而此时将立柱看成两端固定的受力状态,可按下式计算产生的位移:式中:W—立柱在推力Q作用下产生的位移,cm;H—立柱的实际高度,cm;E—钢材的弹性模数,kg/cm2;I—立柱管的惯性矩,cm4;Q—水平推力,kg。4.2梁柱法的计算固定梁立柱只承受垂直载荷的作用,在计算其强度的同时,应考虑其稳定性,固定梁立柱的受力图见图6。4.2.1垂直负荷p的选择用承受最大极限负荷的水梁上的支点反力的最大值与立柱的自重(管子、保温材料、水的重量)之和来作为垂直载荷。4.2.2杆件的求取折减系数垂直载荷使立柱产生的弯曲按中心受压杆来计算。在计算中可以认为立柱是一端嵌固,一端自由的压杆。其计算过程如下:杆的细长比:λ=lk/i式中:lk—杆件计算长度,cm;i—立柱的最小回转半径,cm;h—根据λ值查得的折减系数;[e]—钢材的许用应力,kg/cm2。用以上的公式,即可选择合适的立柱管径和壁厚。5采用两种方法计算立柱的胸径笔者先后采用精确计算法和估算法分别对两座大型步进梁式加热炉的水梁立柱管进行了计算,其计算结果见表1:从上表可以看出,对固定梁立柱,采用两种计算方法的计算结果有些差别,用精确计算法计算的立柱管径要比用估算法计算出的立柱管径大约两个规格;而对步进梁立柱,用两种方法计算得出的结果比较接近。由于用估算法计算立柱时未考虑在立柱根部加筋,如果在立柱根部加筋,即可将立柱高度减小,则立柱的规格还可能减小一些。6立柱的测量计算从以上介绍可知,水梁立柱管的两种计算方法各有优劣。精确计算法结果较为准确,但计算步骤多而繁琐;估算法简洁方便,但准确性低一些。虽然也用估算法计算过几座炉子的立柱管,并且在生产过程中也未出现过问题。但我们过去设计的所有炉子的瞬时工况都没有达到过设计的最恶劣的条件,目前也没有任何实验手段证明在最恶劣工况下我们计算的立柱管是否可靠。因此,我们建议,在报价、可研等高阶段,为方便省时,可以采用估算法,但计算出的固定立柱管最好加大1～2个规格;而到了详细设计阶段时,应分别用两种计算方法计算立柱管,比较结果,取较大者为设计值。3.1.1固定立柱的受力分析E—立柱材料的弹性模量,kg/cm2;I—立柱的惯性矩,cm4;f—立柱的弯曲量,cm;H—立柱的总高度,cm;M1—对计算点的弯矩,kg·cm;W—立柱的截面系数,cm3;Gs—坯料对立柱的作用力,kg