鋼筒倉(cāng)多出料口結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化分析

孔令國(guó)

摘 要 在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，文章對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了較為簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維計(jì)算分析，對(duì)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉(cāng)；多出料口；設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：TU393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉(cāng)作為一種立式倉(cāng)庫容器，主要用于儲(chǔ)存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉(cāng)相比，其優(yōu)點(diǎn)有造價(jià)點(diǎn)、施工簡(jiǎn)便、構(gòu)造簡(jiǎn)單等。鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準(zhǔn)則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲(chǔ)料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉(cāng)的倉(cāng)壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉(cāng)，極小的外部干擾就會(huì)引起變形屈曲，例如，在物料儲(chǔ)存時(shí)，物料下滑過程中，倉(cāng)壁可能會(huì)受到儲(chǔ)料的周向壓力與拉力，進(jìn)而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對(duì)稱分布應(yīng)力的情形，筒倉(cāng)局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉(cāng)壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時(shí)具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進(jìn)而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉(cāng)下面有4個(gè)出料口，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，漏斗倉(cāng)壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對(duì)下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計(jì)算來簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，但實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉(cāng)、深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)進(jìn)行的倉(cāng)的研究規(guī)定，不可簡(jiǎn)單的將此種情況定性為為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，本文在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出較為簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對(duì)料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，得到的計(jì)算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉(cāng)整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉(cāng)下部有4個(gè)出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉(cāng)出料口處給4個(gè)振動(dòng)給料機(jī)供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，但是圓形漏斗的4個(gè)出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會(huì)集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中部標(biāo)高▽13.100平面上，在安設(shè)4個(gè)座子在支撐梁上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖1 鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 圖2 鋼筒倉(cāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉(cāng)壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉(cāng)壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)是shell 63（彈性板單元），單元的特點(diǎn)有：彈性板中由6個(gè)自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點(diǎn)，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動(dòng)也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)可以確定該單元。加勁肋及簡(jiǎn)支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的支撐平面，有限元分析時(shí)環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個(gè)方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計(jì)算

鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計(jì)算時(shí)分別按10°和25°兩種情況計(jì)算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉(cāng)有所不同，所以進(jìn)行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻(xiàn)[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動(dòng)土壓力公式計(jì)算。實(shí)際上，筒倉(cāng)中的貯料并不滿足主動(dòng)土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動(dòng)態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動(dòng)作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)開始卸料，因?yàn)閮?chǔ)藏在倉(cāng)內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動(dòng)。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動(dòng)。因?yàn)榻孛娴氖湛s率變大，在越往出口處，會(huì)出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯(cuò)動(dòng)，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時(shí)，分叉漏斗中部流動(dòng)速度快，邊部流動(dòng)速度慢，因此，考慮物料動(dòng)態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計(jì)算，得到的結(jié)果為荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按照極限承載能力狀態(tài)對(duì)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，這時(shí)要對(duì)基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)自重+倉(cāng)蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的強(qiáng)度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)倉(cāng)的4個(gè)下部出口料工作時(shí)間上的差異，會(huì)出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉(cāng)物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)存在偏壓情況。通過分析計(jì)算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中出現(xiàn)3個(gè)出料口料滿與1個(gè)出料口孔料時(shí)，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個(gè)倉(cāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對(duì)應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計(jì)算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計(jì)算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對(duì)優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計(jì)量，造成實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉(cāng)與深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)的倉(cāng)研究，不可孤立的劃分為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并利用有限元軟件進(jìn)行三維計(jì)算，更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點(diǎn)是施工方便，受力簡(jiǎn)潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對(duì)較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉(cāng)這種形狀的優(yōu)勢(shì)。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)加勁肋設(shè)計(jì)云圖

2）在工藝設(shè)置時(shí)，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計(jì)出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。而對(duì)于多出口料的鋼倉(cāng)，若設(shè)計(jì)為圓倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上被較好的實(shí)現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉(cāng)散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010，27（6）.

[3]劉善維，唐瑞森.貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（11）.

[5]北京金土木軟件技術(shù)公司，建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.endprint

摘 要 在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，文章對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了較為簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維計(jì)算分析，對(duì)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉(cāng)；多出料口；設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：TU393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉(cāng)作為一種立式倉(cāng)庫容器，主要用于儲(chǔ)存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉(cāng)相比，其優(yōu)點(diǎn)有造價(jià)點(diǎn)、施工簡(jiǎn)便、構(gòu)造簡(jiǎn)單等。鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準(zhǔn)則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲(chǔ)料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉(cāng)的倉(cāng)壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉(cāng)，極小的外部干擾就會(huì)引起變形屈曲，例如，在物料儲(chǔ)存時(shí)，物料下滑過程中，倉(cāng)壁可能會(huì)受到儲(chǔ)料的周向壓力與拉力，進(jìn)而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對(duì)稱分布應(yīng)力的情形，筒倉(cāng)局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉(cāng)壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時(shí)具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進(jìn)而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉(cāng)下面有4個(gè)出料口，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，漏斗倉(cāng)壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對(duì)下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計(jì)算來簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，但實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉(cāng)、深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)進(jìn)行的倉(cāng)的研究規(guī)定，不可簡(jiǎn)單的將此種情況定性為為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，本文在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出較為簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對(duì)料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，得到的計(jì)算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉(cāng)整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉(cāng)下部有4個(gè)出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉(cāng)出料口處給4個(gè)振動(dòng)給料機(jī)供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，但是圓形漏斗的4個(gè)出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會(huì)集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中部標(biāo)高▽13.100平面上，在安設(shè)4個(gè)座子在支撐梁上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖1 鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 圖2 鋼筒倉(cāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉(cāng)壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉(cāng)壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)是shell 63（彈性板單元），單元的特點(diǎn)有：彈性板中由6個(gè)自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點(diǎn)，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動(dòng)也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)可以確定該單元。加勁肋及簡(jiǎn)支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的支撐平面，有限元分析時(shí)環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個(gè)方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計(jì)算

鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計(jì)算時(shí)分別按10°和25°兩種情況計(jì)算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉(cāng)有所不同，所以進(jìn)行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻(xiàn)[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動(dòng)土壓力公式計(jì)算。實(shí)際上，筒倉(cāng)中的貯料并不滿足主動(dòng)土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動(dòng)態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動(dòng)作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)開始卸料，因?yàn)閮?chǔ)藏在倉(cāng)內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動(dòng)。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動(dòng)。因?yàn)榻孛娴氖湛s率變大，在越往出口處，會(huì)出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯(cuò)動(dòng)，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時(shí)，分叉漏斗中部流動(dòng)速度快，邊部流動(dòng)速度慢，因此，考慮物料動(dòng)態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計(jì)算，得到的結(jié)果為荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按照極限承載能力狀態(tài)對(duì)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，這時(shí)要對(duì)基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)自重+倉(cāng)蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的強(qiáng)度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)倉(cāng)的4個(gè)下部出口料工作時(shí)間上的差異，會(huì)出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉(cāng)物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)存在偏壓情況。通過分析計(jì)算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中出現(xiàn)3個(gè)出料口料滿與1個(gè)出料口孔料時(shí)，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個(gè)倉(cāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對(duì)應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計(jì)算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計(jì)算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對(duì)優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計(jì)量，造成實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉(cāng)與深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)的倉(cāng)研究，不可孤立的劃分為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并利用有限元軟件進(jìn)行三維計(jì)算，更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點(diǎn)是施工方便，受力簡(jiǎn)潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對(duì)較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉(cāng)這種形狀的優(yōu)勢(shì)。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)加勁肋設(shè)計(jì)云圖

2）在工藝設(shè)置時(shí)，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計(jì)出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。而對(duì)于多出口料的鋼倉(cāng)，若設(shè)計(jì)為圓倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上被較好的實(shí)現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉(cāng)散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010，27（6）.

[3]劉善維，唐瑞森.貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（11）.

[5]北京金土木軟件技術(shù)公司，建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.endprint

摘 要 在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，文章對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了較為簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維計(jì)算分析，對(duì)多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉(cāng)；多出料口；設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：TU393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉(cāng)作為一種立式倉(cāng)庫容器，主要用于儲(chǔ)存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉(cāng)相比，其優(yōu)點(diǎn)有造價(jià)點(diǎn)、施工簡(jiǎn)便、構(gòu)造簡(jiǎn)單等。鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準(zhǔn)則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲(chǔ)料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉(cāng)的倉(cāng)壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉(cāng)，極小的外部干擾就會(huì)引起變形屈曲，例如，在物料儲(chǔ)存時(shí)，物料下滑過程中，倉(cāng)壁可能會(huì)受到儲(chǔ)料的周向壓力與拉力，進(jìn)而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對(duì)稱分布應(yīng)力的情形，筒倉(cāng)局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉(cāng)壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時(shí)具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進(jìn)而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉(cāng)下面有4個(gè)出料口，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，漏斗倉(cāng)壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對(duì)下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計(jì)算來簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，但實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉(cāng)、深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)進(jìn)行的倉(cāng)的研究規(guī)定，不可簡(jiǎn)單的將此種情況定性為為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，本文在對(duì)鋼筒倉(cāng)多出料口設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出較為簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對(duì)料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，得到的計(jì)算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉(cāng)整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉(cāng)下部有4個(gè)出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉(cāng)出料口處給4個(gè)振動(dòng)給料機(jī)供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，但是圓形漏斗的4個(gè)出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會(huì)集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中部標(biāo)高▽13.100平面上，在安設(shè)4個(gè)座子在支撐梁上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖1 鋼筒倉(cāng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 圖2 鋼筒倉(cāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉(cāng)壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉(cāng)壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)是shell 63（彈性板單元），單元的特點(diǎn)有：彈性板中由6個(gè)自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點(diǎn)，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動(dòng)也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)可以確定該單元。加勁肋及簡(jiǎn)支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的支撐平面，有限元分析時(shí)環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個(gè)方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計(jì)算

鋼筒倉(cāng)鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計(jì)算時(shí)分別按10°和25°兩種情況計(jì)算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉(cāng)有所不同，所以進(jìn)行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻(xiàn)[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動(dòng)土壓力公式計(jì)算。實(shí)際上，筒倉(cāng)中的貯料并不滿足主動(dòng)土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動(dòng)態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動(dòng)作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)開始卸料，因?yàn)閮?chǔ)藏在倉(cāng)內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動(dòng)。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動(dòng)。因?yàn)榻孛娴氖湛s率變大，在越往出口處，會(huì)出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯(cuò)動(dòng)，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時(shí)，分叉漏斗中部流動(dòng)速度快，邊部流動(dòng)速度慢，因此，考慮物料動(dòng)態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計(jì)算，得到的結(jié)果為荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按照極限承載能力狀態(tài)對(duì)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，這時(shí)要對(duì)基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)自重+倉(cāng)蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的強(qiáng)度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)倉(cāng)的4個(gè)下部出口料工作時(shí)間上的差異，會(huì)出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉(cāng)物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)存在偏壓情況。通過分析計(jì)算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)中出現(xiàn)3個(gè)出料口料滿與1個(gè)出料口孔料時(shí)，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個(gè)倉(cāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對(duì)應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計(jì)算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計(jì)算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對(duì)優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計(jì)量，造成實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉(cāng)與深倉(cāng)基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊(cè)的倉(cāng)研究，不可孤立的劃分為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并利用有限元軟件進(jìn)行三維計(jì)算，更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點(diǎn)是施工方便，受力簡(jiǎn)潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對(duì)較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉(cāng)這種形狀的優(yōu)勢(shì)。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)加勁肋設(shè)計(jì)云圖

2）在工藝設(shè)置時(shí)，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計(jì)出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。而對(duì)于多出口料的鋼倉(cāng)，若設(shè)計(jì)為圓倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上被較好的實(shí)現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻(xiàn)

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[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（11）.

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