-------张正春摘要：本文主要描述利用Solidworks Simulation有限元分析软件对大型设备吊装使用的吊耳、钢支墩在静状态下因受力发生的变形（位移的变化）和安全系数进行分析，以验证设计的吊耳、钢支墩满足使用要求，确保大型设备吊装和临时放置的质量和安全。
关键词：Solidworks有限元吊耳钢支墩
吊耳是吊装工程内的重要控制点，吊耳的设计质量直接影响吊装的结果；目前，在吊耳设计、计算时，往往只能对吊耳的强度进行理论的校核计算，对计算的结果需要第三方进行验证和分析；Solidworks Simiulation有限元分析插件可对吊耳进行有限元分析，以验证设计的吊耳能否承受设计的载荷值，因受力发生的变形量是否满足要求、强度是否与设计计算结果相符，从而提高吊装的质量和安全性。
钢支墩是工程项目常用的设备临时支撑平台，在进行钢支墩的设计、计算时，需考虑整体的安全性和稳定性要求；往往通过力学知识只能对钢支墩的零部件进行强度分析，很难计算钢支墩整体在承受设计载荷时，发生的变形量和整体稳定性，利用Solidworks Simulation有限元分析插件对钢支墩整体建模，进行载荷受力分析，以验证钢支墩在设计载荷值作用下，发生的变形量是否满足要求、强度是否与设计计算结果相符，从而提高钢支墩在工程中使用的安全性、可靠性。
1.项目案例概况
浙江嘉兴石化PTA料仓安装项目需安装四台同型号、规格的料仓，料仓分为锥体、筒体和拱顶三部分，料仓吊装前，混凝土结构已浇筑，锥体部分位于混凝土结构框架内，锥体的尺寸为Φ2300mm/15000mm×15330mm，整体重量约为61.90t；筒体与锥体焊接，尺寸为Φ15000mm×18500mm；拱顶位于筒体正上方，尺寸为Φ15000mm/2000mm×2160mm，重量约为60t；如下图1所示。
1.1锥体的施工工艺：
因锥体位于混凝土框架内，锥体吊装高度较高，故锥体吊装采用分三段进行吊装、组对；低段与中段吊装就位时，因锥体就位口径大于下端与中端锥体的外径，故现场需将低段、中段锥体临时放置在混凝土框架内，组对焊接；待顶段锥体吊装就位后，将低段、中段整体与顶端锥体对接，中段锥体与低段锥体对接后，重量为26.048t。
1.2拱顶的施工工艺：
拱顶材质为8mm的S30403L不锈钢，成弧形，顶部设有28根径向主梁，整体重量约为60t；因拱顶的壁薄，吊装时在拱顶顶部设置8个板式吊耳，以减少拱顶因壁薄在吊装时发生变形现象。
+31.87
锥体
筒体
拱顶
框架1
5
3
3
1
8
5
图1 料仓立面示意图
2.钢支墩的设计与有限元分析
2.1钢支墩的设计要求
根据锥体的施工工艺要求：低段与中段锥体需临时放置在一个支撑平台上，完成对接；初步设计钢支墩的外形尺寸为2300×2300×3600mm，外形与底段锥体的下口直径相等，上端面成正八边形分布，以确保底段锥体下口完全与钢支墩接触，钢支墩的三维图形如下图2所示。
图2 钢支墩三维示意图
钢支墩计算校核时，按照静载荷作用进行计算分析，静载荷系数为1.4。 2.2 支撑梁、横梁
2.2.1 支撑梁、横梁几何参数
支撑梁、横梁均选用型号为175mm ×175mm 的H 型钢，型钢材质为Q235B ，其抗弯强度、抗压强度为215 MPa ，抗剪强度为125 MPa ；惯性矩Ix=2918 cm 4；截面系数Wx=334 cm 3；面积A=51.43 cm 2。 2.2.2 钢支墩受力图
F=435.8N
My
My 2300
2300
Mx
Mx
z
y
x
F=435.8N
图3 钢支墩受力图
承受最大弯矩：
Mx=26.048×1.4×9.81×1000×1150/8=514255.6 N •mm My=514255.6 N •mm 单根支撑梁承受压力：
N=26.048×1.4×9.81×1000/4=435.8 N
2.2.3 支撑梁校核
支撑梁应力选用公式
σ=N
A +M x
γ
x ×W x1
=435.851.43×102+514255.6
1.0×334×1000=171.4MPa <215 MPa
故选用H 型钢为支撑梁满足要求。
弯曲应力选用公式：
σ=M x
γx×W x =514255.6
1.0×334×1000
=154.0MPa<215 MPa
剪切应力选用公式：τ=N
A =435.8/2
51.43×102
=8.7MPa<125 MPa
故横梁满足强度要求。
2.2.5横梁稳定性校核
1）横梁的整体稳定性
横梁为无侧向支撑且载荷作用在受压翼缘上，则判别条件：
L0/b=2300 / 175=13.1<15*(235/235)1/2=15 故横梁不必计算其整体稳定性
2）横梁的局部稳定性
h0/ t w=（175-22）/7.5=20.4 < 80 横梁不必计算其局部稳定性。
2.2.6支撑梁稳定性校核
支撑梁的长细比选用公式
λ=μ×L
i
=
1×2300
7.53×10
=30.6
主管为a类截面，轴压稳定性系数为φ=0.950。
稳定性计算：σ=N/（φ×A）+ηβM/（ΦWx）
σ=435.8/（0.950×5143）+514255.6/（1.05×334×1000）=165.0 MPa < 215 MPa 故钢支墩满足锥体临时放置的要求。
2.3钢支墩Solidworks Simulation分析（保守分析，按不设斜撑分析）
利用Solidworks三维设计软件对钢支墩进行建模，为确保钢支墩分析的准确、安全可靠，使用Simulation 分析时，将钢支墩焊接斜撑删除，按照保守值进行有限元分析。分析结果如下图4、5所示。
图4 钢支墩Solidworks Simulation分析应力图钢支墩理论计算应力与Solidworks Simulation软件分析误差值：
W=（154.0-152.6）/154.0= 0.9%
图5 钢支墩Solidworks Simulation分析位移图故设计的钢支墩满足设备放置要求。
3. 拱顶板式吊耳设计及有限元分析
3.1 板式吊耳设计要求
根据拱顶施工工艺要求：拱顶顶部的径向主梁上焊接8个板式吊耳，单个吊耳承受的载荷值为7.55t 吊耳应对称分布；吊耳的材质应与径向主梁相同，为Q235B ，厚度为24mm ；拱顶吊耳分布与受力如下图6所示。
拱顶（t=8mm，材质为S30403）
径向主梁（材质为Q235B）
F
F
F
F
F
F
F
F
图6 设备三维示意图
3.2 板式吊耳强度校核
吊耳材质选用Q235-B ，厚度为24mm ，吊耳板抗拉、抗弯强度为f=205 MPa ，抗剪强度为fv=120 MPa ；吊耳与径向主梁采用对接焊（开坡口）形式固定，综合影响系数K=1.65，焊缝的抗拉、弯曲应力为175 MPa ，抗剪强度为120 MPa ；吊耳受力图如下图7所示。
R 30
R 8
100
17°
30°
Fv F h Fx
Fy
30°
图7 吊耳受力图
单个吊耳承重量为7.55t ；吊耳的竖向载荷：
F V=7.55×103×9.81×1.65=122248.5 N
吊耳沿吊索方向的受力：
F h=122248.5/ cos17°=127834.2 N
径向弯矩：
M =122248.5×sin30°×100=6112425 N•mm；
吊耳承受最大拉应力：
σ=F h/[24×（80-30）]=106.5 MPa < 205 MPa
满足要求。
吊耳承受最大剪切应力：
τ=σ=106.5 MPa < 120MPa
满足要求。
3.3板式吊耳的对接焊缝强度校核
板式吊耳焊缝的拉应力：
σ拉=122248.5×cos30°/（250×13）=32.6 MPa < 175 MPa 焊缝的剪切应力：
τ=122248.5×sin30°/(250×13)=62843.67/4550=18.8 MPa < 120 MPa 焊缝的弯曲应力选用公式：
σab=6×6112425{24×[2×（100×tan17º+80）2]}=62.5 MPa < 175 MPa
焊缝组合应力：τ=√（32.6+62.5）2
+3×18.82=100.4 MPa <1.1×175=192.5 MPa
故板式吊耳满足拱顶的吊装要求。
3.4板式吊耳Solidworks Simulation有限元分析
利用Solidworks三维设计软件对板式吊耳进行建模，为确保板式吊耳的分析的准确、安全可靠，使用Simulation分析时，板式吊耳的受力面为线接触，以放大板式吊耳受力时的应力状态和位移状态。分析结果如下图8、9所示。
图8 板式吊耳Solidworks Simulation分析应力图
图9 板式吊耳Solidworks Simulation分析位移图故设计的板式吊耳满足拱顶吊装要求。
参考文选
1）中华人民共和国建设部标准钢结构设计规范GB 5017-2003
2）中国成达工程公司主编化工设备吊耳及工程技术要求HG/T 21574-2008 3）吴高阳编著Solidworks2010有限元分析机械工业出版社2010年
4）牛秀艳刘伟主编钢结构原理与设计武汉理工大学出版社2010年下载本文
