首钢国际工程公司将有限元空间分析成功应用到首钢京唐钢铁厂5500m3高炉整体结构设计中

北京首钢国际工程技术有限公司（以下简称：首钢国际工程公司）凭借多年从事建筑结构尤其是冶金系统结构设计和技术服务积累的丰富经验，组织精英团队对首钢京唐钢铁厂5500立方米高炉整体结构设计进行了深入分析研究，积极开拓创新，成功自主设计了5500立方米高炉整体结构系统。自2009年5月，首钢京唐钢铁厂5500立方米高炉投产以来，生产实践表明该系统结构安全性能稳定，设计理念和产品均达到国内同类领域的领先水平，受到国内外专家的一致认可和广泛好评，具有良好的社会效益和市场推广价值。1首钢京唐5500立方米高炉整体结构的计算分析背景。

由于国内已有的最大高炉为4000立方米级，对于5500立方米高炉没有相关的设计、施工经验。开展5000立方米以上特大型高炉的结构设计，受力分析如何进行，计算简图如何选取，采用什么计算软件，计算结果如何分析，规范边缘的问题如何解决，怎样才能做到创新设计以及优化设计等等一系列科学设计攻关的难题摆在面前。

首钢国际工程公司高炉系统结构设计团队本着以我为主、自主研发、自主创新、开放合作的思路开展设计。设计方法由经验设计为主向科学精准设计转变，设计分析模型由简单杆系向空间有限元转变，并由此专门购买了韩国浦项公司研发的大型空间有限元分析软件MIDAS，及德国研发的SOFISTIK有限元软件，加上已有的SAP2000以及ANSYS有限元软件，软件力量配备雄厚。高炉系统结构设计团队运用这些大型空间分析软件，对5500立方米高炉结构系统中的复杂结构进行了科学、系统的分析，并多次邀请专家对计算结果进行论证，并最终获取了合理的计算分析结果。

2首钢京唐5500立方米高炉整体结构的计算分析描述

2.1高炉炉壳结构计算分析

高炉结构中高炉炉壳的设计计算分析占据着非常重要的地位。原来国内各设计单位对于高炉炉壳结构分析主要有两种方法：一是依据前苏联经验公式确定炉壳板厚的方法，这是一种经验公式计算法，显然不适用于特大型高炉计算；二是将炉壳整体简化为杆系模型进行分析并据此建立局部实体模型分析的方法，这种方法计算误差也比较大。

首钢京唐5500立方米高炉炉壳高度49.06m，最大直径18.6m，炉壳结构表面开孔尺寸较大且数量繁多，几何模型复杂，常规计算分析软件无法完成分析工作，为此应用大型通用有限元分析设计软件MIDAS对高炉炉壳进行分析，并采用ANSYS进行验证性设计与校核。几何模型的建立和有限元网格的划分是首先要解决的难点，需要同时考虑大量边界约束、单元尺寸及形状、结构整体模型大小、荷载作用范围、计算精度等多方面影响因素的限制且耗时长的繁重工作。在没有任何先例可借鉴的情况下，进行多次试划分工作，最后确定了最终的几何模型和网格尺寸。

经过建模试算，对炉壳结构整体及局部区域的应力分布有了较全面的认识，使炉壳结构设计大大超越了传统经验简化设计方法，并取得了如下成果：1）通过建立精确的分析模型，极大程度地提高了设计精度。2）定量确定各开孔周围及角部的应力状态，为高炉开孔的形状合理性提供了科学依据。3）首次提出同时考虑环境温度升高及底端约束会导致炉壳底端与炉底封板连接部位弯曲应力过大的问题。4）确定了铁口局部加强措施，验证了措施的合理性。5）确定了炉壳沿高度及水平方向产生的变形量，为炉壳及炉体框架之间设置合理的间隙提供了科学依据。6）给出了与以往规范不同的建议考虑的振型数目。在专家论证会上，与会专家、教授对所建立计算模型的合理性与精确度、完成的工作及取得的成果均给予了高度的评价和肯定。该高炉炉壳的结构计算、分析填补了5000m3级特大型高炉炉壳国内设计分析的空白，创造了国内最大高炉炉壳设计新纪录。

高炉炉壳几何模型 高炉炉壳应力云图

2.2高炉本体结构整体计算分析

1）通过精确计算和分析，解决了传统的炉壳与炉体框架水平位移的影响，使各部分受力简洁明确，传力途径简单清晰，简化了结构形式和节点做法，并节省了投资。

2）对炉顶框架按照无斜撑框架、有斜撑框架、炉顶框架调转90度三种结构形式方案分别计算炉顶框架及吊车梁位移。通过计算分析和比较决定采用炉顶框架调转90度方案，使炉顶框架和吊车梁位移满足规范要求。

3）对粗煤气系统的壳体及管道按照壳单元划分，解决了传统的用杆系带来的刚度和变形误差，对应应力集中部位采取局部加强，实现了受力合理性，以及计算模型与实际结构在相互几何关系及受力状态最大限度地吻合。

4）通过计算分析，可避免管道、壳体交接处的应力集中过大，调整上料主皮带通廊，高炉电梯，炉顶框架之间的相对位置等方案，优化了结构体系。

2.3高炉基础、热风炉基础、高炉鼓风机基础计算分析

高炉基础、热风炉基础属超大体积钢筋混凝土基础。高炉基础厚度8.5m，共11000多立混凝土。基础设计中除强度保证以外，基础的整体沉降、相邻基础的沉降差以及混凝土裂缝的控制和混凝土防腐蚀为设计中的难点。大体积钢筋混凝土基础必须充分考虑混凝土释放的大量水化热的不利影响，结合施工措施通过对混凝土的温升及抗裂度进行计算，确保高炉基础混凝土一次连续浇注成功，创造了国内最大体积高炉基础混凝土一次浇注记录。

计算分析过程中，通过对地勘单位提供的内摩擦角，压缩模量，附加应力系数等土层参数进行研究和探讨，纠正了地质资料中原始数据的错误。由于高炉结构的特殊性和复杂性，设计规范对此有很大的局限性和不适用性，为此设计团队专门与规范的编制人交流，明确了规范适用条件、荷载取值和计算方法。建立了弹性地基梁模型、倒楼盖模型、单向压缩分层总和法－弹性解、单向压缩分层总和法－弹性解修正等四种计算模型进行计算比较，并最终采用弹簧单元模拟基桩的倒楼盖基础模型。通过采用高性能混凝土及HRB400钢筋等新材料，结合控制水灰比、掺加钢筋阻锈剂等措施，合理控制了基础的强度，使裂缝和防腐等问题满足了相关规范要求。

高炉鼓风机基础为高架式钢筋混凝土框架结构基础，属于动力基础范畴。风机基础计算分为动力计算和静力计算两部分。动力计算保证设备与基础构成的整体体系的振动位移和振动速度在设备可接受的容许范围之内从而保证设备的正常运转。静力计算保证整个体系在设备故障、地震等极端不利情况下不发生结构破坏。为了准确模拟设备基础的动力特性，采用MIDAS程序进行建模计算，荷载考虑了设备及基础自重、设备的扰力荷载、电机的短路力矩，设备的当量荷载及地震荷载及其它附属荷载。设备基础底板用弹簧模拟桩基础。

对结构进行模态分析，通过调整结构刚度避开设备与基础体系的共振区。并通过多次与外方交流，制定了动力基础计算分析需要的资料模板，荷载种类（主要为扰力与不平衡系数K的不同）及外方资料模板要求，为以后工程设计奠定了坚实的基础。

2.4高炉事故水塔计算分析

首钢京唐500m3事故水塔为全钢结构的国内高炉工程最高（H=75m）的事故水塔。因水塔在充水时水容易形成紊流与涡流，都可能产生振动。当水体的晃动周期与支撑筒体的自振周期接近时，水塔结构就会产生振幅较大的振动，引起人员恐慌，影响正常生产，严重时还会发生安全事故。为了避免振动事故的发生，考察了国内大量的高炉事故水塔，仔细分析了结构方案的优缺点。并邀请浙江大学著名钢结构专家联合设计，对水塔的支撑结构形式，以及球形水柜的支撑方式和位置，进水口的位置进行了充分的论证。采用MIDAS及ANSYS两种程序进行分析计算，投产以后的实践表明了前期方案的合理性及结构稳定性。通过本次设计研究，还发现球形水柜的支撑圈位置，选择在从顶部往下量120度处时，球体内的无矩内力不会出现压力，而且在支撑圈处无矩内力处于单向受力状态，这样既避免了球壳出现受压屈曲的可能性，又避免了支撑圈这一受力复杂、应力集中的部位出现双向受拉这种不利的应力状态。同时，在刚度参数不变的情况下，支撑圈选择在120度时，支撑环的应力最小，从而能够处在较低的应力水平工作。

2.5其它结构计算分析

在高炉系统结构设计中，还充分采用MIDAS软件对热风炉炉壳，大型钢结构上料料仓，钢筋混凝土烟囱，喷煤主厂房钢结构等重要结构进行了系统、精确的分析。科学的计算结果一方面创新优化了设计，带来了良好的经济效益，提高了北京首钢国际工程技术有限公司的整体设计实力，提升了公司的社会认可度和知名度，对公司的市场开发做出了巨大的贡献。另一方面帮助公司造就了一批尖端设计人才，有利于公司的长远发展。

热风炉炉壳应力云图 热风炉热风出口应力云图

大型钢料仓模型 砼烟囱底部应力云图

3项目技术研发团队

首钢国际工程公司高炉结构设计团队通过首钢京唐钢铁厂工程的历练，设计分析水平已经上升到国内领先水平，并且已经和清华大学、浙江大学、北京科技大学、西安建筑科技大学等科研单位建立了相对固定的学术交流与合作，在团队发展过程中，能够持续地结合各建设单位、施工单位的日常生产及建设过程中的意见，扬长补短，不断创新设计理念，优化设计产品。基于用户需求，承诺在最短时间内为用户提供技术成熟，质量可靠，切实满足生产需要的具有国内领先水平的高炉系统，是首钢国际工程公司永恒的追求。

（撰稿人：王兆村）