鋼煤斗有限元分析與計算

郭建華

摘 要：該文采用sap2000對某電廠鍋爐房鋼煤斗進(jìn)行了建模計算，同時介紹了鋼煤斗的貯料荷載的計算方法，對煤斗壁和加勁肋進(jìn)行了強(qiáng)度和撓度的校核，提出了工程設(shè)計措施。煤斗是發(fā)電廠重要的構(gòu)筑物，一般用于貯煤和卸煤，屬于筒倉類結(jié)構(gòu)。目前，針對煤斗還沒有專門的計算應(yīng)力和變形的公式，主要采用有限元法進(jìn)行計算。也沒有專門的設(shè)計規(guī)范，一般參考《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》（GB50077-2003）和《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》（GB50884-2013）。該文就某電廠鍋爐房煤斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行簡要介紹和分析。

關(guān)鍵詞：鋼煤斗 sap2000 強(qiáng)度 撓度 有限單元法 表面荷載

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0034-01

1 煤斗貯料荷載分析

煤斗按采用的材料可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)計算方法可分為淺倉和深倉，當(dāng)倉壁計算高度hn與圓形筒倉內(nèi)徑或矩形筒倉短邊之比大于等于1.5時為深倉，小于1.5時為淺倉。本例采用鋼結(jié)構(gòu)，屬于矩形淺倉，貯料荷載按淺倉計算。

采用sap2000對煤斗進(jìn)行建模分析。該煤斗為單斜式矩形鋼煤斗，平面尺寸為5.35 m×4.75 m，立面尺寸為9.6 m高。幾何容積為122 m3。煤斗壁和加勁肋均采用Q235B鋼材。經(jīng)過反復(fù)試算，煤斗壁計算厚度取10 mm，考慮到使用磨損，設(shè)計時使用12 mm，水平加勁肋采用不等邊角鋼L125×80×12和L140×12，豎向加勁肋采用100×10鋼板，底板漏斗口采用等邊角鋼L140×14加強(qiáng)。

煤為褐煤，重度取10 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ取30゜，與鋼板的摩擦系數(shù)μ取0.3。煤斗的主要受力荷載即為貯料荷載，貯料對煤斗內(nèi)壁的作用力主要有：煤對豎壁的水平側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值Phk，豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值Pvk，對斜壁的切向壓力Ptk和對斜壁的法向壓力Pnk。

以上作用力的計算公式如下：

其中γ為煤的重度，s為貯料頂面到計算截面的距離

其中k為煤的側(cè)壓力系數(shù)，

°

由上述公式可以看出，以上荷載均與s呈線形關(guān)系，其中切向壓力Ptk和法向壓力Pnk還和傾角α有關(guān)。在sap2000中輸入這種隨尺寸變化的荷載可采用節(jié)點(diǎn)樣式。

根據(jù)GB50884-2013，對于承載力極限狀態(tài)，荷載組合取1.35×自重+1.3×貯料荷載。對于正常使用極限狀態(tài)，荷載組合取1.0×自重+1.0×貯料荷載。

2 強(qiáng)度計算結(jié)果分析

鋼煤斗的計算分為兩部分：煤斗壁和水平加勁肋。模型中，煤斗壁采用shell單元，重量修正系數(shù)取1.2；加勁肋采用frame單元，水平加勁肋間距700 mm，豎向加勁肋間距約500 mm。分析前應(yīng)在所有殼單元生成邊束縛，以確保煤斗壁和加勁肋協(xié)調(diào)變形。建模時應(yīng)注意角鋼的插入點(diǎn)程序默認(rèn)為形心，應(yīng)改為角鋼的長肢頂端，否則會使結(jié)構(gòu)撓度偏大。

2.1 煤斗壁應(yīng)力結(jié)果

圖1為煤斗壁的Von-Mises應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤斗底部，根據(jù)計算所得結(jié)果，最大應(yīng)力為126 N/mm2。小于設(shè)計強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求。

2.2 水平加勁肋內(nèi)力結(jié)果

加勁肋按拉彎或壓彎構(gòu)件設(shè)計。由于加勁肋和斗壁鋼板牢固焊接，可認(rèn)為斗壁鋼板可阻止加勁肋受壓翼緣失穩(wěn)，因此可不計算加勁肋的整體穩(wěn)定，只做強(qiáng)度驗(yàn)算。

在1面上，對于角鋼L125×80×12，角鋼和斗壁的組合截面的截面屬性如下：

A=5343 mm2，Ix=18800816.84 mm4，Iy=18899684.46 mm4，Wx1=Ix/dx1=206149mm3，Wx2=Ix/dx2=164630 mm3，Wy1=Iy/dy1=148816 mm3，Wy2=Iy/dy2=273117 mm3。

分別驗(yàn)算跨中和支座截面，跨中截面最大內(nèi)力為：Mx=4 kN·m，N=124 kN（拉為正，壓為負(fù)），My=0.8 kN·m。My較小，可忽略不計，按單向拉彎構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度：

=42 MPa

支座截面最大內(nèi)力為：Mx=-6 kN·m，N=60 kN。強(qiáng)度驗(yàn)算：

=46 MPa

滿足強(qiáng)度要求。

3 撓度計算結(jié)果分析

3.1 煤斗壁撓度結(jié)果

經(jīng)有限元計算，得到煤斗在1.0×自重+1.0×貯料荷載工況下的撓度結(jié)果，撓度最大值為5 mm，位移等值線云圖見圖2。

GB50884給出的壁板撓度限值為兩加勁肋間距/100=7 mm，滿足規(guī)范要求。若不采用豎向加勁肋，撓度最大值為11.7 mm，可見，豎向加勁肋在控制撓度和減小水平加勁肋內(nèi)力方面起到很大作用，一般當(dāng)漏斗高度超過7 m時建議加設(shè)豎向加勁肋。

3.2 加勁肋撓度結(jié)果

L125×80×12在標(biāo)準(zhǔn)組合下的最大撓度為4.91 mm，其跨度L=4720 mm，滿足規(guī)范的撓度限值L/150。也滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

鋼煤斗是火力發(fā)電廠的一個重要構(gòu)筑物，該文結(jié)合工程實(shí)例對鋼煤斗進(jìn)行了準(zhǔn)確的分析計算并對斗壁和加勁肋進(jìn)行了強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算。有限單元法是一種很好的設(shè)計補(bǔ)充手段，它能直觀形象的反映出整個結(jié)構(gòu)各個部位的受力情況，其受力狀態(tài)更符合實(shí)際受力狀態(tài)。以上工作希望能對后續(xù)的煤斗設(shè)計起到一定的參考作用。

參考文獻(xiàn)

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