潘立程等：考虑受力蒙皮作用的除尘器壳体墙板的承载性能 ·1337· 引入初始缺陷 弯扭失稳，其刚度减弱，对墙板的约束作用减弱，且立 在吊运和装配过程中，结构顶部区域装配复杂易 柱所受荷载会更多分配到墙板上，这会导致墙板承载 于产生初始几何变形，且计算表明结构内力水平较高 能力的降低.有焊接缺陷影响时墙板的承载能力显著 的是在墙板和立柱顶部区域，故研究中应在结构顶部 高于其他仅考虑几何缺陷的情况.当墙板上最大竖向 区域引入初始几何缺陷.本文考查了三种初始几何变 残余应力值0，mr=0.617,时的墙板承载力会高于 形模态，分别为正对称特征值屈曲模态、反对称特征值 0,=0.462,的情况，表明残余应力幅值越高对墙板 屈曲模态和完善结构极值点变形模态.特征值屈曲模 的承载能力提升越大.究其原因，主要是因为焊接残 态是先以完善的结构体系进行线弹性的特征值屈曲分 余应力对墙板承载力产生有利影响：且焊接残余变形 析，得到其特征值屈曲模态，从中筛选并归纳为两类， 幅值很小（当σ，=0.617∫，时，结构最大焊接残余变 一类是两跨墙板在靠近顶部区域关于中间立柱正对称 形为l.1mm),对墙板承载力影响很小.为了充分考 的屈曲，另一类是两跨墙板在靠近顶部区域关于中柱 虑最不利初始缺陷的影响，本文后续分析均引入反对 的反对称屈曲.分别提取两类特征值屈曲模态中最低 称特征值屈曲缺陷模态 阶的引入有限元模型，建立正对称特征值屈曲缺陷模 0.130 态和反对称特征值屈曲缺陷模态.此外，对完善结构 s0.125 进行非线性分析，达到极限承载力时提取其变形模态， 0.120 作为完善结构极值点变形缺陷模态.缺陷幅值均取为 ◆完善结构极值，点变形缺陷模态 单个墙板区格（即左右相邻两立柱和上下相邻两角钢 ·正对称特征值屈曲缺陷模态 加劲肋围成的墙板区域)最大边长的千分之一. 0.110 ·反对称特征值屈由缺陷模态 壳体墙板一立柱结构体系中各部件主要通过焊接 蓉0.105 一焊接缺陷(oa-0.617) +焊接缺陷0m-0.462D 连接，有必要模拟焊接缺陷并分析其影响.通过在墙 0.100 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 板与立柱连接边、墙板板块与板块连接边施加负温的 立柱受载水平，PP 方式模拟焊接收缩，从而引入焊接缺陷，再在立柱和墙 图2 不同初始缺陷时墙板承载能力一立柱荷载水平关系曲线 板顶部施加竖向荷载，研究墙板在焊接缺陷影响下承 比较 载能力的变化.计算表明，焊接收缩在墙板顶部区格 Fig.2 Comparison of relationship curves between wall bearing ca- 产生的残余剪应力与外荷载作用下该区域的剪应力方 pacity and column loading level for different imperfect models 向相反，因此残余剪应力对墙板的承载能力是有提升 2 墙板破坏形式 作用的：焊接收缩在墙板与立柱连接区域产生残余拉 应力，与外荷载作用下产生压应力相反，故残余拉应力 壳体加劲钢墙板与H型钢立柱连续焊接连接，形 可延缓外荷载作用下墙板边缘压应力的发展，因此对 成共同受力的整体，两者相互传递荷载，相互提供约 墙板承载能力有所提升.综合判断，焊接残余应力对 束.当墙板受载水平较高而立柱受载水平很低时，立 于墙板在顶部压力作用下是有利影响 柱作为墙板两侧刚性较大的边界，一方面墙板的荷载 对一例典型结构分别构建考虑上述缺陷模态的缺 由顶端逐渐向立柱传递，最后由柱底传递到底部支架： 陷结构模型并进行非线性计算，得到墙板极限承载力一 另一方面立柱为墙板提供约束，限制板件的变形.当 立柱荷载水平关系曲线如图2所示.模型为：立柱截 墙板受载水平很低而立柱受载水平很高时，墙板上应 面（截面高×翼缘宽×腹板厚×翼缘厚）H200mm× 力很低且变形很小，立柱则易于发生失稳，此时墙板发 200mm×8mm×12mm,立柱高H=17460mm,墙板宽 挥受力蒙皮作用，一方面为立柱分担荷载，另一方面为 度W=5130mm,墙板厚度t=6mm,角钢加劲肋间距 立柱提供侧向约束，提高其稳定性.因此，墙板的破坏 s=1000mm,立柱横向支撑间距d=3000mm.图中横 形式与承载能力受到立柱荷载水平的很大影响，需要 坐标为墙板达到极限承载力时，立柱顶端施加的轴向 研究在不同立柱受载水平时的墙板破坏形式. 压力P与立柱的屈服荷载P,(P,=∫，A,A为H型 2.1受剪破坏 钢立柱截面积)的比值：纵坐标为墙板的极限承载力 以图2中反映模型为例进行分析.首先考虑立柱 P与墙板的屈服荷载P(P=,)的比值.图2表 荷载水平较低时的情况.进行结构非线性分析时对立 明，在不同的立柱荷载水平时，考虑反对称特征值屈曲 柱施加的荷载很小，墙板达到极限承载力时，P,。= 缺陷模态的结构，其墙板承载能力最低.分析其原因， 0.123P,P。.m=0.123P,·由于墙板上存在初始几何 可能在于立柱易于发生靠近柱顶区域的弯扭失稳， 缺陷，加载初期，墙板的屈曲就发生，其鼓曲变形开始 在反对称的缺陷模态中，立柱有初始弯扭变形，因而在 加速发展，不同立柱荷载水平模型的墙板上施加荷载一 非线性加载过程中更早发生弯扭失稳.立柱一旦发生 墙板最大出平面变形曲线如图3所示.顶部区格内的潘立程等: 考虑受力蒙皮作用的除尘器壳体墙板的承载性能 引入初始缺陷． 在吊运和装配过程中，结构顶部区域装配复杂易 于产生初始几何变形，且计算表明结构内力水平较高 的是在墙板和立柱顶部区域，故研究中应在结构顶部 区域引入初始几何缺陷． 本文考查了三种初始几何变 形模态，分别为正对称特征值屈曲模态、反对称特征值 屈曲模态和完善结构极值点变形模态． 特征值屈曲模 态是先以完善的结构体系进行线弹性的特征值屈曲分 析，得到其特征值屈曲模态，从中筛选并归纳为两类， 一类是两跨墙板在靠近顶部区域关于中间立柱正对称 的屈曲，另一类是两跨墙板在靠近顶部区域关于中柱 的反对称屈曲． 分别提取两类特征值屈曲模态中最低 阶的引入有限元模型，建立正对称特征值屈曲缺陷模 态和反对称特征值屈曲缺陷模态． 此外，对完善结构 进行非线性分析，达到极限承载力时提取其变形模态， 作为完善结构极值点变形缺陷模态． 缺陷幅值均取为 单个墙板区格( 即左右相邻两立柱和上下相邻两角钢 加劲肋围成的墙板区域) 最大边长的千分之一． 壳体墙板--立柱结构体系中各部件主要通过焊接 连接，有必要模拟焊接缺陷并分析其影响． 通过在墙 板与立柱连接边、墙板板块与板块连接边施加负温的 方式模拟焊接收缩，从而引入焊接缺陷，再在立柱和墙 板顶部施加竖向荷载，研究墙板在焊接缺陷影响下承 载能力的变化． 计算表明，焊接收缩在墙板顶部区格 产生的残余剪应力与外荷载作用下该区域的剪应力方 向相反，因此残余剪应力对墙板的承载能力是有提升 作用的; 焊接收缩在墙板与立柱连接区域产生残余拉 应力，与外荷载作用下产生压应力相反，故残余拉应力 可延缓外荷载作用下墙板边缘压应力的发展，因此对 墙板承载能力有所提升． 综合判断，焊接残余应力对 于墙板在顶部压力作用下是有利影响． 对一例典型结构分别构建考虑上述缺陷模态的缺 陷结构模型并进行非线性计算，得到墙板极限承载力-- 立柱荷载水平关系曲线如图 2 所示． 模型为: 立柱截 面( 截面高 × 翼缘宽 × 腹板厚 × 翼缘厚) H200 mm × 200 mm × 8 mm × 12 mm，立柱高 H = 17460 mm，墙板宽 度 W = 5130 mm，墙板厚度 t = 6 mm，角钢加劲肋间距 s = 1000 mm，立柱横向支撑间距 d = 3000 mm． 图中横 坐标为墙板达到极限承载力时，立柱顶端施加的轴向 压力 Pc，cr与立柱的屈服荷载 Pcy ( Pcy = fyAH，AH为 H 型 钢立柱截面积) 的比值; 纵坐标为墙板的极限承载力 Pw，cr与墙板的屈服荷载 Pwy ( Pwy = tfy ) 的比值． 图 2 表 明，在不同的立柱荷载水平时，考虑反对称特征值屈曲 缺陷模态的结构，其墙板承载能力最低． 分析其原因， 可能在于立柱易于发生靠近柱顶区域的弯扭失稳［11］， 在反对称的缺陷模态中，立柱有初始弯扭变形，因而在 非线性加载过程中更早发生弯扭失稳． 立柱一旦发生 弯扭失稳，其刚度减弱，对墙板的约束作用减弱，且立 柱所受荷载会更多分配到墙板上，这会导致墙板承载 能力的降低． 有焊接缺陷影响时墙板的承载能力显著 高于其他仅考虑几何缺陷的情况． 当墙板上最大竖向 残余应力值 σrY，max = 0. 617fy 时的墙板承载力会高于 σrY，max = 0. 462fy的情况，表明残余应力幅值越高对墙板 的承载能力提升越大． 究其原因，主要是因为焊接残 余应力对墙板承载力产生有利影响; 且焊接残余变形 幅值很小( 当 σrY，max = 0. 617fy时，结构最大焊接残余变 形为 1. 1 mm) ，对墙板承载力影响很小． 为了充分考 虑最不利初始缺陷的影响，本文后续分析均引入反对 称特征值屈曲缺陷模态． 图 2 不同初始缺陷时墙板承载能力--立柱荷载水平关系曲线 比较 Fig． 2 Comparison of relationship curves between wall bearing ca￾pacity and column loading level for different imperfect models 2 墙板破坏形式 壳体加劲钢墙板与 H 型钢立柱连续焊接连接，形 成共同受力的整体，两者相互传递荷载，相互提供约 束． 当墙板受载水平较高而立柱受载水平很低时，立 柱作为墙板两侧刚性较大的边界，一方面墙板的荷载 由顶端逐渐向立柱传递，最后由柱底传递到底部支架; 另一方面立柱为墙板提供约束，限制板件的变形． 当 墙板受载水平很低而立柱受载水平很高时，墙板上应 力很低且变形很小，立柱则易于发生失稳，此时墙板发 挥受力蒙皮作用，一方面为立柱分担荷载，另一方面为 立柱提供侧向约束，提高其稳定性． 因此，墙板的破坏 形式与承载能力受到立柱荷载水平的很大影响，需要 研究在不同立柱受载水平时的墙板破坏形式． 2. 1 受剪破坏 以图 2 中反映模型为例进行分析． 首先考虑立柱 荷载水平较低时的情况． 进行结构非线性分析时对立 柱施加的荷载很小，墙板达到极限承载力时，Pw，cr = 0. 123Pwy，Pc，cr = 0. 123Pcy ． 由于墙板上存在初始几何 缺陷，加载初期，墙板的屈曲就发生，其鼓曲变形开始 加速发展，不同立柱荷载水平模型的墙板上施加荷载-- 墙板最大出平面变形曲线如图 3 所示． 顶部区格内的 ·1337·