蒙皮效应影响冷箱承载能力的性能研究

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1、蒙皮效应影响冷箱承载能力的性能研究第一章绪论1.1概述最近几十年，随着国民经济的快速发展，国内的冶金、化工等工业也有了长足的发展，在化工产业中作为空分装置关键设备之一的冷箱也日益大型化。冷箱一般采用外围钢板的高耸钢框架结构体系，是特种工业构筑物。根据不同的工艺流程要求，冷箱结构的高宽比大且立面不规则。冷箱结构在以往的应用中分成大、中、小三种不同的型号，过去通常情况下，一套图纸可以给多家单位提供成套的空分设备。然而国民经济发展到现在，各单位的工艺流程有了不同程度的改革和创新，冷箱的型号也就更加丰富，但是目前对冷箱的结构性能的研究

2、却很少。在过去的冷箱结构设计中，通常采用钢板作为围护结构，仅用将其表面的荷载法向分量传递至框架结构。然后单独设计结构的支撑体系，用来传递地震、风作用等产生的水平荷载，进而保证整体结构的稳定性。但是钢板的平面内抗剪能力远大于其平面外的的抗弯能力，钢板在起维护结构作用的同时还承受围护结构其平面内的荷载作用，因此钢板平面内具有一定的抗剪性能，这种围护结构平面内的剪切性能被称作结构的蒙皮效应。蒙皮效应这一结构概念最早来自轮船与飞机，是通过蒙在纵横肋上的薄的金属板形成带肋的薄壳结构，蒙皮板与肋共同作用，在其平面内具有相当大的拉、压以及剪

3、切强度，同时在肋的作用下，不容易失稳。从受力的角度来看，如果通过可靠的连接将钢板和主体的结构构件连接起来，那么蒙皮效应就使得围护结构成为整体受力结构的组成部分，从而参与到整体结构体系的工作中，增加了结构的整体刚度。此外钢板还能对与之相连的各受力构件提供相对连续的侧向支撑，继而提高与之相连构件的稳定性和承载力。早在二十世纪五十年代初，国外就将蒙皮技术应用在建筑的结构方面，当时的结构研究人员是在研究门式钢架承载能力时发现受力蒙皮作用的，见图1.1[1]。.....1.2国内外蒙皮技术的发展对蒙皮效应的研究最早开始于二十世纪五十年代

4、初，当时实测若干门式刚架的结果表明，通常设计计算的结果要比实测的挠度和应力大很多，主要涉及到的结构有仓库、厂房等不设隔断墙与内楼板的建筑物。唯一能解释实测挠度和应力偏小的原因只能是一部分荷载被压型钢板分担了。这一结论启发了各国学者对蒙皮效应进行系统的、长期的且富有成效的理论及试验研究。在1955年，美国学者indlin-Reissner壳理论（一阶剪切变形理论）控制精度。同时，可以采用非协调单元积分方式来降低分析平面内受弯剪模型时精确积分出现刚度过大的问题。根据真实的应力和真实的应变测量出的数据建立壳单元Shell181中所采

5、用的公式，有限的薄膜应变可以存在单元的运动学中。但是，曲率在某一时间增量中的变化往往被假设的都很小。非线性方程组求解时采用FullNees;2个高斯积分点，考虑材料的弹塑性对板厚方向的影响时，一般采用非标准的高斯点位置与相应的权重系数进行单元积分，如图2.4所示。......第三章冷箱单元的蒙皮参数分析.........273.1试件的设计.........273.2有限元建模.........313.3蒙皮板的高厚比.....343.4蒙皮板的高宽比λ.....373.5框架柱的轴压比n......413.6框

6、架柱的刚度系数β.........453.7蒙皮板与周边框架的焊接率ζ.........493.8本章小结.....53第四章考虑蒙皮作用的冷箱设计.........544.1冷箱梁柱的设计..........5444.2冷箱蒙皮板和支撑的设计.........554.3本章小结.....60第五章总结与展望.....625.1结论.....625.2展望.....62第四章考虑蒙皮作用的冷箱设计根据第三章关于影响蒙皮效应下冷箱承载能力的不同参数有限元分析，结合相关的设计规程和国内外的研究成果，得出考虑蒙皮

7、效应时冷箱的设计方法。4.1冷箱梁柱的设计冷箱作为空分设备内填珠光砂起到隔热保冷的作用，珠光砂与冷箱内壁之间的侧向压力和摩擦力沿高度方向是非线性变化的。利用《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB50077-2003）（如图4.1）[45]计算珠光砂对冷箱的水平压力和摩擦力，按下面的方法进行计算的。在水平荷载作用下蒙皮板不仅承受周边框架传来的剪力，而且因为其平面内较大的抗侧刚度对周边框架起到支撑作用。按照剪切刚度的等效原则将蒙皮板等效为对角拉压杆。蒙皮板的等效原则为刚度等效原则，该原则就是将同一集中荷载P分别作用于蒙皮单元顶部和等效杆

8、件结构的顶部，使二者产生相等的侧向变形，用对角拉压杆的结构模型来代替蒙皮单元，如图4.3、4.4所示。.....结论冷箱结构在设计中考虑蒙皮效应更符合结构的实际受力情况，使作为围护结构的钢板由次要构件转变成主要的受力构件之一。文中介绍了蒙皮结构的受力方式和过去学者研究的成果以