方箱式加热炉辐射段壁板抗侧刚度计算及简化公式的推导

摘 要 近年来，随着三维结构设计软件的普及，给结构设计带来了更为简单、更为直观的检测方法。但是对于带有壁板的加热炉辐射段框架来讲，由于壁板在模型中的使用，导致部分设计指标和参数不能很好的与实际情况相对应。本文章利用了钢板剪力墙抗侧刚度理论公式，STAAD-PRO软件钢板抗侧刚度和有限元软件计算的抗侧刚度进行比较，从而对抗侧刚度理论公式进行修正，得到较为认同的钢板弹性抗侧理论公式，并对其抗侧理论公式进行了结构替代和简化。这样以来，可以利用STAAD-PRO强大的杆系模型分析来模拟和检验加热炉辐射段壁板的强度问题。因此在工程设计中可以大大简化力学模型，给设计者提供更为直观有效的检验结果。

关键词 加热炉；壁板；抗侧刚度；简化公式

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）100-0160-02

随着国内经济的发展，对石油制品的需求逐日扩大，从而导致了炼油厂的产能也不断的增加。炼油厂装置内的加热炉负荷也随之不断地增加，也造成了加热炉占地面积和高度不断地增加。为了保证加热炉安全操作，加热炉钢结构的设计也随之成为加热炉设计的重要一环。

但是目前我们专业所使用主要的计算软件为STAAD-PRO，许多设计人员在进行结构建模时，经常采用将板单元指定到梁柱连接的节点上而并不将板单元进行有效的网格划分，致使加热炉顶部侧移量比实际情况小了很多并且板单元内部应力的分布与数值均与实际情况差距很大，同时在SSDD检验当中，板单元也没有直接的去被校核和判定。由此造成了加热炉抗侧刚度与实际值差距很大，甚至有些时候超出了规范所规定的限值。为此急需要根据板单元在结构中所起的作用将其简化成可以利用STAAD-PRO进行判定的，有效的杆系模型。

1 壁板抗侧刚度理论公式与软件计算结果比较

方箱式加热炉辐射段一般在设计时，假设所有平行于壁板的水平荷载均由辐射段壁板承担，所以该钢板宜假设为平面应力单元板，而不承担竖向荷载，且垂直于钢板平面的外部荷载应通过壁板上的加强筋直接传递给壁板周围的横梁和立柱，钢板在其平面内产生弯曲变形和剪切变形。

注：一般情况下横梁与立柱均为H型钢，壁板加强筋为槽钢或者角钢；壁板厚度为5mm或者7mm，以下规格采用壁板厚度均为5mm，且全部假定为平面应力板。

根据以上数据绘制下列图表

在传统的加热炉设计时，一般情况下，由横梁与立柱围成的壁板的高宽比介于1.2～2之间，只需要在理论公式中添加一个置信系数来调整板的抗侧刚度，以便于模型更好的贴近现实情况。

2 弹性简化计算模型

虽然从上述情况可以得到壁板的抗侧刚度，但是仍然无法满足模型简化的要求，由于板所起到的作用类似于桁架的作用，而且从板内部应力分布情况来看，最大的应力出现在两个斜角线上。由此可知，在忽略钢梁框架在平面内的转动的前提下，将上图的模型简化成下图的所示“两斜杆和两竖杆”的计算模型，且它们与横梁之间的连接均为铰接。

根据简化计算模型，可得如下平衡方程组：

位移方程：

由此可以看出，在方箱加热炉辐射段建模式，可以根据规划图将板单元直接简化成斜撑，这样将复杂的问题进行了简化，可以放在杆系结构计算较为方便的软件（例如：STAAD-PRO软件）进行计算。但是在建模时应将这些斜撑指定成二力杆，并且在规范检验时，不应考虑这些二力杆的平面内稳定和平面外稳定问题，只考虑其强度问题。

3实例检验

利用STAAD-PRO建模对比，采用壁板结构并且进行网格划分后，顶部最大位移为1.553mm，且板单元最大米塞斯应力为7.3MPa；采用简化的斜撑，顶部最大位移为2.133mm，且斜撑内部最大应力为6.8MPa。

分析：顶部位移相差近0.6mm，主要是因为简化过程中将板单元受力最为集中的受力的斜角线简化成了斜撑，而对于其他地方的板所产生的抗侧效应并没有记入到斜撑中，所以简化的斜撑的侧向位移会有所增加。

4结论

STAAD-PRO在建模时，如果不将板进行网格划分，那么该软件计算出来的结构抗侧刚度将比实际情况大很多，使得结构处于一种不安全的假设中；如果将网格划分，虽然板的作用可以得到好的模拟，然而该软件无法对板单元进行校核，只能人为判断，但是通过模型的简化可以得到更为直观的结果，为广大的加热炉设计人员提供解决板单元主要受力问题的一种途径。

参考文献

[1]王朝伟，何福照，等编著.板结构.北京：人民交通出版社出版发行.

[2]SH/T3070-2005.石油化工管式炉钢结构设计规范.

[3]API STD.560.Fired Heaters for General Refinery Services.

[4]孙训方，胡增强，等编著.材料力学.北京：高等教育出版社.

[5]龙驭球，包世华，等编著. 结构力学.北京：高等教育出版社.