所属栏目：工业设计论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:245
[摘要] 以实例介绍了采用SpaS CAD进行塔架设计的方法以及塔架绘图和放样开料的注意事项。
[关键词] SpaS CAD 塔架 烟囱 钢结构
某化工厂排空烟囱(PVC材质)，外径730mm，总高50米。需做一钢塔架来支承烟囱，塔架总高48米。钢塔架水平截面常用的形式有三角形和正方形，常用杆件有角钢和钢管。国产角钢基本是直角角钢，很少有内角60°角钢，因此角钢塔均采用正四边形截面，便于腹杆连接。钢管构件则比较灵活，钢管塔有正三角形和正四边形截面。根据现场场地条件和业主要求，本设计采用正方型。按《烟囱设计规范》GB50051-2002，塔架底部宽度与高度之比不宜小于1/8，本设计采用6米。塔架顶部宽度，根据烟囱直径和站人维修需要，采用1.5米。塔架沿高度，每隔6米设置一道横隔，同时也作为烟囱的支承点。
塔架建模和计算采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件中的SpaS CAD模块。
在SpaS CAD中，选择菜单“快速建模”→“自立塔架”，选择塔架各段的形式，输入各段的具体参数，如分节数、每段顶标高、长、宽以及杆件截面等，再选择横隔形式、标高、截面，就可以快速生成我们所需的大致模型，然后根据需要，适当增减一些杆件，最终形成我们需要的准确模型。在SpaS CAD中，灵活运用各视图(上视、左视、前视、透视等)以及“选择显示”、“整体显示”工具，可以非常方便对模型进行修改调整。
在建模中常用的功能模块有杆件定义、杆件布置、杆件修改和杆件删除等。杆件定义、杆件修改和杆件删除这三个模块都比较简单，按提示操作就可以，这里说说杆件布置。在杆件布置对话框中，首先要选择截面种类，分为“型钢构件”和“自定义构件”，按需要选择即可。然后要选择杆件类型，有柱、梁、支撑和次梁四种，一般塔架构件，主要以受轴力为主，可以全部按柱输入，其中一些杆件也可以按支撑输入。我个人的做法是角柱和中间有侧向支承的杆件都按柱输入，其余的中间无侧向支承的单杆件按支撑输入。接下来就是选择构件和相对坐标系。相对坐标系定义要布置的构件的偏心信息的参照坐标系。SpaS CAD中提供了三种坐标系：WCS、UCS和LCS。WCS即世界坐标系，相当于结构的整体坐标系，所有的局部坐标系都是从WCS中计算得到的。UCS是用户自定义坐标系，用户可以按照自己的需要，定义任意位置处、任意方向的正交笛卡尔坐标系，必须符合右手螺旋法则。LCS是网格线相关的坐标系，跟AUTOCAD中的对象坐标系有点类似，只是AUTOCAD中需要用户自己选择对象来定义坐标系，而在SpaS CAD中，系统自动给每根网格线定义了一个网格线相关的坐标系。从网格线起始节点到终止节点的向量方向为LCS的局部Z’轴方向。再按右手螺旋法则，垂直网格线和其终止节点在世界坐标系XOY平面内的投影所形成的平面的方向为LCS的局部X’轴方向。在空间任意位置、任意方向的网格线上布置不对称杆件(例如不等边角钢)，对于任意空间结构建模工作来说是一个很大的挑战，LCS是解决这个问题的关键。利用LCS，再加上“端点互换”功能，可以有效地解决结构中任意不对称杆件的布置问题。在构件偏心分组框中最关键的是“转角”，决定着杆件布置的方位，至于偏心，在塔架结构中，偏心都比较小(主要由角柱截面不是从底到顶同一截面引起)，可以忽略。杆件布置的转角的正方向沿着选定坐标系的Z轴方向。所有参数选定后就可以选择网格线来布置杆件了，可以单根布置也可以按TAB键切换到批量选择模式来批量布置。杆件布置完成后，还需要指定杆件材料强度和杆端约束信息。本工程塔柱受力比较大，因此所有#p#副标题#e#塔柱均采用Q345钢，其余支撑和再分腹杆均采用Q235。至于杆端约束，除了塔柱为连续构件，按刚接设计外，其余支撑和再分腹杆均按两端铰接设计。
结构几何模型建立完成后，接下来就是结构荷载信息的输入。结构荷载信息是正确进行结构分析的基础。本工程的主要荷载有结构自重荷载(包括塔架自身和烟囱自重)、风荷载和检修荷载。其中，塔架自重和塔架杆件自身的的挡风引起的风荷载SpaS CAD软件可以自动导算，但烟窗自重和烟囱挡风引起的风荷载以及检修荷载就要人工输入。
要进行荷载输入，首先就要进行荷载定义。荷载定义是分工况和分类别定义的。系统默认的工况有7个，分别是恒载、活载、X向风载、Y向风载、Z向地震、X向地震和Y向地震。我们还可以按需要增加自定义工况，在本工程中我们只需要采用系统默认工况即可，无需自定义其它工况。荷载类别有点荷载、杆件荷载和面荷载三种。在本工程中，我们只用到点荷载和杆件荷载。本来，检修荷载可以按面荷载输在每一横隔的平台上，但由于当前版本的SpaS CAD简化掉了二维构件(如墙、楼板、屋顶等)，我们布置不了面荷载，只好将相应的检修荷载人工导算到相应杆件上，按杆件荷载输入。点荷载和杆件荷载定义都比较简单，按提示输入就可以了，关键是荷载方向和正负。在当前版本的SpaS CAD中，点荷载和杆件荷载都只能在整体坐标系中布置。荷载的正负号区分，X向和Y向都是沿着坐标轴正向为正，Z向荷载，是向上为正还是向下为正由结构设计人员根据自己习惯来选择。在结构计算分析参数定义中有“Z方向荷载习惯”选项，有两个选项供选择，分别是“向下为正”和“向上为正”。荷载定义完成后就可以进行荷载布置了。本工程的烟囱自重荷载要分三种情况分别布置：一是正常情况下，烟囱每个支承点都承受烟囱自重;二是烟囱处于受热膨胀状态下(采用特定措施使烟囱能向上自由膨胀)，此时只有底层横隔承受整个烟囱的全部重量;三是烟囱处于受冷收缩状态下(采用特定措施使烟囱能向上自由收缩)，此时只有顶层横隔承受整个烟囱的全部重量。这三种情况都要分别计算，并且都要满足规范要求。
荷载布置完成后，还需要输入结构模型约束信息。简单地说就是定义塔脚是固定还是铰接。当然，约束信息并不限于固定和铰接两种，一个节点的6个自由度都可以输入约束系数(固定节点是约束节点的一个特例，约束系数无穷大)，由不同的约束系数组合成多种不同的约束节点。本工程塔脚按铰接设计，新增一铰接约束节点，线性嵌固参数全部选择固定，转角嵌固参数全部选择铰接。将定义好的铰接约束节点布置到四个塔脚节点上就完成了塔架约束信息的输入。
输入完约束信息后还需要输入结构计算信息才可以进行结构计算。计算前需要定义一些设计参数以及对工况组合进行调整、增减，再对层号进行指定。本来，作为空间结构，已经没有了层的概念，但为了方便后面的位移查看，我们还是指定了层号。按横隔来划分，每6米为一层，一共8层，相应一一指定即可。由于本工程没有自定义工况，所以采用系统默认的工况组合就可以。至于设计参数，SpaS CAD的设计参数和SATWE 和PMSAP都差不多，可以查相关手册和规范。这里特别要说一下的是，在总信息中，由于我们塔架比较高，还承受烟囱重量，除了XY地震和双向效应外，还要考虑竖向地震。在风荷载信息中，需要勾选“程序自动计算并考虑挡风系数”，并通过程序试算出挡风系数，根据挡风系数查《建筑结构荷载规范》或者《高耸结构设计规范》得到塔架风荷载的体型系数填到程序设计参数中。参数输入完成后就可以进行结构计算了，点“PMSAP数据”生成计算所需的文件，再点“PMSAP计算”进行计算。计算完成后就可以查看结果了。首先要查看的是结构周期、有效质量系数、杆件应#p#副标题#e#力和节点位移等。通过反复计算调整，使周期和有效质量系数以及全部杆件应力和节点位移等均满足规范要求。按《烟囱设计规范》GB50051-2002的9.2.4条第5款，在风荷载(标准值)作用下，钢塔架任意点的水平位移不得大于该点离地面高度的1/100。本塔架最大相对位移和绝对位移均在塔顶处，最大位移为252.652mm，塔架总高为48m，位移占总高的1/190，满足规范要求。
至此，结构计算已完成，最后说说塔架绘图和放样开料。在说绘图和放样前，先要弄明白塔架结构的三个重要概念：垂高、面高、面角。顾名思义，垂高就是指塔架横隔平面到底部平面的垂直距离;而面高是指构成塔架的一个立面的斜面高度;而面角是指该斜面与底部平面的夹角。垂高=面高•SIN面角。角钢塔架一般采用螺栓连接，分段施工。以塔架最底下一段为例，侧面梯形上底宽4米，下底宽6米，垂高为6米，面角为80.54度，则塔段面高为6000÷SIN80.54=6083mm。绘一等腰梯形，上底宽4000，下底宽6000，高6083，此梯形腰长就是该段塔架塔柱的长度，以此再放样绘出各斜杆和再分腹杆的长度。这样就可以得到该段塔架各杆件的开料长度。再以此类推，逐层放样绘出塔架其它段的开料长度。
本文仅是对塔架设计的简单介绍，希望能起到抛砖引玉的作用，让大家来一起探讨塔架设计的方法以及设计中的一些注意事项，达到安全、经济、施工方便的目的。
参考文献：
[1] 《高耸结构设计规范》 GB50135-2006
[2] 《烟囱设计规范》GB50051-2002