多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁整體有限元結(jié)構(gòu)分析

陳 輝

CHEN Hui

(浙江省電力設(shè)計院，浙江 杭州310012)

煤斗［1］是火力發(fā)電廠供煤系統(tǒng)中的一個重要構(gòu)筑物，通常為方形、圓形或上方下圓等規(guī)則對稱的形式，但是隨著工藝要求越來越復(fù)雜多變以及框架結(jié)構(gòu)梁柱布置的限制，異型鋼煤斗越來越多。相比于對稱規(guī)則的鋼煤斗，異型鋼煤斗的受力更為復(fù)雜，因此對煤斗采用有限元計算已非常普遍，但絕大部分設(shè)計均假定煤斗支座為三向鉸接，并沒有將混凝土支撐梁整體建入模型，同時未考慮煤斗支座位移差的影響［2-9］。

本文結(jié)合浙江浙能六橫電廠的鋼煤斗，通過應(yīng)用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行鋼煤斗與混凝土支撐梁的空間整體分析，對計算模型進(jìn)行修改和試算，確定加勁肋的位置和大小，確定煤斗支座應(yīng)力，計算混凝土支撐梁的內(nèi)力和配筋，以此來保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形符合規(guī)范要求。

1 鋼煤斗結(jié)構(gòu)型式

浙江浙能六橫電廠轉(zhuǎn)運(yùn)站考慮一期、二期卸煤問題，在轉(zhuǎn)運(yùn)站中設(shè)置了一個煤斗作為中轉(zhuǎn)。煤斗為一分四結(jié)構(gòu)，即煤斗具有4 個漏斗。煤斗外型見圖1。煤斗上部為10.8 m ×12 m 矩形鋼煤斗，下部變成為4 個3.168 m ×3.168 m 的漏斗。整個煤斗擱置在中間的混凝土框架上。煤斗支座和縱、橫向加勁肋采用型鋼，煤斗壁厚10 mm，均為Q235B。煤斗的容積為1 078 m3。從煤斗的外形可以看出，該煤斗具有以下特點(diǎn):

(1)根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范(GB 50077—2003)》［10］，該煤斗筒倉屬于淺倉;

(2)漏斗掛在混凝土梁的斜面上，所以混凝土梁的截面形狀為不規(guī)則;

(3)漏斗掛點(diǎn)與混凝土梁埋件相連，為保證斗壁受拉，節(jié)點(diǎn)處增加局部加勁肋。

2 計算模型的建立

2.1 模型的建立

結(jié)構(gòu)模型包括煤斗壁、加勁肋和混凝土梁。

在有限元建模［11］時，采用混合法模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)。即用板殼單元shell63 模擬煤斗壁，用beam188單元模擬加勁肋，用solid45 來模擬混凝土梁。ANSYS模型見圖2。

圖1 煤斗整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 ANSYS 煤斗模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

鋼材的彈性模量為2.06 ×105MPa，泊松比為0.3，密度為78 kN/m3?；炷恋膹椥阅Ａ繛? ×104MPa，泊松比0. 2，材料密度25 kN/m3［12-13］。Shell63 單元厚度10 mm。

2.3 邊界條件

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，鋼煤斗支撐在混凝土梁上，混凝土梁部分鉸接于混凝土框架梁上，部分剛接于框架柱上。在ANSYS 模型中在混凝土梁端設(shè)置一塊鋼板，用于施加鉸接約束和固定約束［14-16］。

2.4 加載

根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范(GB 50077—2003)》進(jìn)行荷載計算，煤的重力密度為γ =10 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=38°。筒倉壓力計算簡圖見圖3。

(1)貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s(m)處，作用在斗壁單位面積上的水平壓力為

ph=kγs，k=tan2(45° -φ/2) (1)

(2)貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s(m)處，作用在煤斗壁單位面積上的豎向壓力為

(3)漏斗壁的切向壓力應(yīng)按下式計算:

(4)漏斗壁的法向壓力應(yīng)按下式計算:

圖3 貯料壓力分布簡圖

各漏斗壁的法向荷載施加在ANSYS 中通過參數(shù)化設(shè)計語言，并編寫函數(shù)來施加漏斗壁切向荷載。

3 計算結(jié)果與結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果

由于建模時在框架梁端部采用鋼板模擬支座，因此支座處會產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)圣維南原理，支座處集中應(yīng)力可以不予考慮。經(jīng)過不斷試算，煤斗的應(yīng)力圖、位移圖見圖4，煤斗壁最大應(yīng)力為143.164 MPa，煤斗壁板最大位移為12.523 mm。

計算得到框架梁的支座反力。支座編號見圖5，具體數(shù)值大小見表1。

3.2 計算分析

從結(jié)果分析:

(1)鋼煤斗的最大位移滿足規(guī)范要求，12.523 mm ＜a/150 =26.7 mm。

(2)從應(yīng)力分布來說，除去支座處產(chǎn)生的應(yīng)力集中以外，煤斗應(yīng)力均小于Q235 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值215 MPa。支座處的應(yīng)力集中可以通過增加加勁肋解決。

(3)支座反力誤差分析:

煤的重量1 078 m3×10 kN/m3=10 780 kN;

鋼煤斗重量9.8 m3×78 kN/m3=764.4 kN;

混凝土框架梁重量85. 8m3× 25kN/m3=2 145 kN;

實(shí)際總重:13 689.4 kN。

誤差率=(13 689.4 -13 594.4)÷13 594.4 ×100% =0.7%

從結(jié)果得出支座反力誤差較小，符合實(shí)際情況，計算結(jié)果是可靠的。

(4)根據(jù)支座處的反力，可以計算混凝土框架梁配筋。

圖4 煤斗計算結(jié)果

圖5 支座分布及編號

表1 ANSYS 支座反力的計算結(jié)果

3.3 與其他建模方法的計算結(jié)果比較

為確保ANSYS 計算的結(jié)果正確，采用PKPM軟件將煤斗本體作為荷載輸入，建立混凝土框架梁整體空間模型，得到支座處的反力見表2。將表2 和表1 中的支座反力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)混凝土梁剪力的誤差均在10%以內(nèi)，而彎矩的誤差相對來說要大一點(diǎn)，特別是9 號節(jié)點(diǎn)，差距最大。這是因?yàn)樵贏NSYS模型中，將此處實(shí)際的混凝土框架柱模擬成一個剛接節(jié)點(diǎn)，和實(shí)際情況相差較大，所以這個誤差也是可以被接受的。因此認(rèn)為ANSYS 的模擬是正確的。

表2 PKPM 支座反力的計算結(jié)果

3.4 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計

多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁協(xié)同工作，上半部分鋼煤斗支撐在混凝土梁頂面，鋼漏斗部分與混凝土斜面上的埋件焊接。同時為解決鋼煤斗支座處的集中力問題，設(shè)置局部加勁肋，并且同時考慮了施工安裝的可行性和方便性。具體節(jié)點(diǎn)詳圖見圖6。

圖6 節(jié)點(diǎn)詳圖

4 結(jié) 語

本文通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)通過有限元方法對多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁進(jìn)行整體空間分析，可以得到應(yīng)力集中位置、應(yīng)力大小和混凝土梁的計算內(nèi)力。同時將結(jié)果和實(shí)際的荷載重量以及PKPM 中得出的結(jié)果進(jìn)行比較，證明計算結(jié)果真實(shí)可靠。

(2)鋼煤斗的加勁肋處、鋼煤斗與混凝土支撐梁的連接節(jié)點(diǎn)處會出現(xiàn)應(yīng)力集中及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏大，混凝土則容易形成裂縫，因此在此處增加加勁肋加以解決，并需嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。同時，由于混凝土支撐梁為上小下大的不規(guī)則形狀，鋼筋密集，而且還有埋件，所以此處混凝土施工質(zhì)量必須嚴(yán)格加以控制，以便保證混凝土支撐梁和整體結(jié)構(gòu)的安全。

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