热轧箱形设备基础简化分析方法研究

摘要

热轧设备基础在主轧跨为了满足轧制工艺的要求，一般采用整体刚度非常大的箱形基础，主轧跨基础长达数百米且通长不设缝。对于超长箱体结构的内力分析，国外目前普遍采用的是简化分析方法，这些简化分析方法计算简单方便，适合常规设计软件计算，但这些简化分析方法大都忽略了箱体结构沿长度方向上的联系和空间受力的特点，无论是对于结构布置和荷载较为简单的层流区还是复杂的精轧区，简化分析方法的合理性和不同地基条件对基础的受力影响都需要进行验证。
　　本文首先通过两个算例验证了ABAQUS中的厚壳单元S8R在模拟厚板和深梁中的性能，利用ABAQUS用户子程序DLOAD实现了无法在CAE用户界面中的荷载施加。论文以太钢2250热轧线设备基础为对象，通过有限元程序ABAQUS建立了层流区和精轧区两个三维有限元分析模型，层流区两个平面框架模型，精轧区底板模型和精轧区平面框架模型，考虑了两种不同地基和活荷载的不利布置。通过对各种计算模型的结果整理和对比分析，得到如下主要结论：
　　1）采用ABAQUS程序中的厚壳单元S8R模拟厚板，在较小跨厚比（4~5）的情况依然能保持较高的计算精度。用厚壳单元模拟深受弯构件时则始终能给出非常好的结果，在跨高比小于4时，而采用梁单元则不在合适，建议用厚壳单元来模拟。
　　2）层流区三维分析的结果表明，顶、底板沿纵向上的弯矩变化不大，带大柱子轴线上的弯矩绝对值要大于不带大柱子轴线上的值，用带大柱子轴线上的结果做设计是偏安全的。地基反力系数的大小对底板上的正负弯矩的最大最小值有较大的影响，而对顶板的影响不大。
　　3）层流区三维模型与带大柱子的平面框架模型的结果对比表明，三维模型和平面框架模型的顶、底板的最小位移较为接近。在地基反力系数较小时，框架模型的顶、底板的最大、最小弯矩的绝对值比三维模型相应路径上的结果要小20％~30%，在地基反力系数较大时，框架模型的顶、底板的最大、最小弯矩值的绝对值与三维模型相近。建议在层流区采用带大柱子的平面框架模型进行顶、底板的内力分析，当地基反力系数较小时，顶、底板的最大、最小弯矩值用于设计时要放大30%~40%。
　　4）精轧区三维模型中底板在不同地基反力系数沿路径上的结果表明，在地基反力系数为k3时，在横向方向上的弯矩最大、最小值比基床反力系数为k1时小35%~40%，地基反力系数对纵向方向的弯矩值影响不大。
　　5）精轧区三维模型和底板模型在底板上的结果对比表明，当地基反力系数变大时，对二维模型和三维模型都出现底板上使下部受拉的最小弯矩的最大绝对值明显减小，且二维模型减小的幅度会更大。二维模型在k1下未能充分反映空间受力的作用，使得绝对值最大的负弯矩的分布规律与三维模型不同，使得计算结果偏大太多，对设计而言不太合理；在k3下，底板模型在将k轴大柱子下的弯矩换算到距柱边1/4处后，底板模型上的最小负弯矩的分布规律和三维模型一致，且结果偏大，对设计来说偏安全；对于地基刚度较小时，如采用底板模型，则应将地基刚度系数取大一些，以反映与三维模型底板相同的弯矩分布规律。对于底板上的最大正弯矩，在k1、k3下，底板模型和三维模型在底板上表现出的分布规律一致，底板模型的最大正弯矩值为三维模型的2~3倍，用底板模型的结果将偏安全。
　　6）在水土压力作用下，外墙按照两端固支所计算得到支座及跨中弯矩与三维模型中的结果较为吻合，采用外墙按照上端铰支下端固支的计算结果将偏安全。
　　本文研究工作对热轧设备基础的简化分析方法的合理性进行了验证，结论可供规范和工程设计人员参考。

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英文摘要

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1 绪论

1.1引言

1.2太钢2250热连轧箱形设备基础的特点及内力分析方法

1.3本文研究目的及主要研究内容

2 有限元分析中的相关问题及ABAQUS

2.1中厚板及厚壳单元介绍

2.2有限元程序ABAQUS介绍

2.3有限元分析中的相关问题

2.4本章小结

3 热连轧箱形设备基础的分析模型

3.1工程概况

3.2分析模型

4 主要分析结果

4.1分析结果中的相关约定

4.2层流区的分析结果

4.3精轧区的分析结果

4.4本章小结

5 分析结果的对比与讨论

5.1层流区的对比

5.2精轧区的对比

5.3外墙的简化模型

5.4本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录A

附录B作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录