歪嘴灰斗的靜力分析

梁志乾，趙建昌（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

歪嘴灰斗的靜力分析

梁志乾，趙建昌
（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

在一些實(shí)際工程中因使用功能的需求或已有設(shè)備的限制，灰斗做成歪嘴形。在手冊(cè)或規(guī)范中很少涉及針對(duì)歪嘴灰斗的計(jì)算及構(gòu)造。為了明確歪嘴灰斗的受力與變形，通過對(duì)某電廠改造項(xiàng)目中歪嘴灰斗的有限元分析，計(jì)算在靜力荷載作用下歪嘴灰斗自身的變形、構(gòu)件的應(yīng)力和內(nèi)力分布，得出歪嘴灰斗的受力特點(diǎn)。

歪嘴灰斗；靜力分析；SAP2000

除塵器作為重要的除塵設(shè)備，在火力發(fā)電廠、水泥廠等廣泛使用。對(duì)于一般的灰斗計(jì)算都是按照手冊(cè)推薦的方法或有限元法計(jì)算［1-3］，對(duì)于工程項(xiàng)目中遇到的一些特殊形狀的灰斗如歪嘴灰斗［4］，在計(jì)算手冊(cè)或相關(guān)規(guī)范中很少涉及到其受力特點(diǎn)及構(gòu)造措施。對(duì)于這些特殊灰斗基本都是按對(duì)稱灰斗進(jìn)行計(jì)算、采取構(gòu)造措施，因兩者的變形及內(nèi)力分布不同，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力不相符合［5］。

本文結(jié)合實(shí)際工程，采用結(jié)構(gòu)通用有限元分析軟件SAP2000對(duì)單個(gè)矩形雙向交叉加勁肋的歪嘴灰斗在靜力荷載作用下自身的受力情況進(jìn)行分析討論。

1 灰斗的構(gòu)造要求與受力計(jì)算

1.1 灰斗的構(gòu)造要求［6］

手冊(cè)中建議灰斗斜壁的傾角比貯料休止角大5°～10°，這樣有利于貯料在自重作用下卸出；當(dāng) an或bn=8 m～9 m；宜采用雙向型鋼加勁肋，并將前后兩面的垂直加勁肋連接起來（an、bn為灰斗大口處的長(zhǎng)、寬尺寸）。

1.2 雙向交叉加勁肋灰斗的受力特點(diǎn)

雙向交叉加勁肋灰斗可按主次梁體系計(jì)算板壁和垂直加勁肋的彎矩。板壁雙向受彎并承受斜向拉力；垂直加勁肋僅承受板壁傳來的荷載引起的彎矩；水平加勁肋除承受相鄰側(cè)壁傳來的水平拉力；還承受板壁和垂直加勁肋傳來的法向荷載引起的彎矩。

1.3 灰斗的內(nèi)力計(jì)算

斜壁任一水平截面單位寬度上的斜向力標(biāo)準(zhǔn)值Ni（kN/m）可按式（1）計(jì)算:

式中:αi為該斜壁與水平面的夾角；Nvi為該斜壁相應(yīng)水平截面單位寬度上的豎向拉力。

2 有限元靜力分析

2.1 工程概況

該項(xiàng)為一電廠除塵器新增項(xiàng)目 ，由于原有支架及煙道的影響，新增除塵器的灰斗做成歪嘴型 ，見圖1。

灰斗大口:11.8 m×11.400 m，灰斗小口:2.6 m ×110.2 m，高度:3.72 m。灰斗壁采用 δ=6 mm厚鋼板，外側(cè)水平方向?yàn)镠型鋼（H294×200×8×12）做加勁肋，豎向采用角鋼（L100×63×8）做加勁肋，灰斗壁及加勁肋材料均為Q235鋼，其彈性模量: E=2.06×105N/mm2，泊松比:0.3，屈服強(qiáng)度:235 MPa，質(zhì)量密度:7 850 kg/m3?；叶非鞍迮c水平面夾角為32°；灰斗后板與水平面夾角為73°；灰斗左右側(cè)板與水平面夾角為81°。

圖1 灰斗CAD圖

2.2 有限元分析模型

灰斗是典型的板殼帶肋矩形斗倉(cāng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)灰斗由前板、后板、左側(cè)板、右側(cè)板和底板組成，各板外表面焊有加勁肋。對(duì)該灰斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留灰斗的板壁、橫向加勁肋和垂直加勁肋。

采用板梁混合結(jié)構(gòu)建立有限元模型。本模型用SAP2000中線單元中的框架單元FRAME來模擬灰斗的水平及垂直加勁肋，用面單元中的薄殼單元SHELL來模擬灰斗各壁板［7］。殼單元是3或4結(jié)點(diǎn)單元，包含獨(dú)立的膜和平面彎矩行為；殼單元每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)上都有6個(gè)自由度，可承受力和彎矩［8］。

2.3 約束條件

灰斗上部與支架鋼梁等強(qiáng)度焊接，故灰斗上部取為固定約束［2，9］；灰斗下部支撐在底梁上，故灰斗下部約束豎向位移。建立符合實(shí)際情況的模型，見圖2。

圖2 灰斗實(shí)體模型

2.4 荷載取值及組合

灰斗的靜荷載包括灰斗自重、保溫層重量、負(fù)壓、灰荷載?；叶纷灾馗鶕?jù)材料特性與幾何特性軟件自動(dòng)計(jì)算；保溫材料以恒載均布加在灰斗壁上，負(fù)壓值為1 000 Pa。

灰斗壁單位面積上的法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值為:

式中:ξ為法向壓力系數(shù)，ξ=cos2α+ksin2α，α為灰斗壁與水平面夾角；pv為相應(yīng)計(jì)算截面處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，pv=C·γ·s，參數(shù)C為貯料瞬間直接卸入淺倉(cāng)時(shí)的沖擊影響系數(shù)，詳見貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)；s為積灰頂面到計(jì)算截面的距離；粉煤灰重度8.0 kN/m3，粉煤灰其它物理參數(shù):摩擦角25°～30°；對(duì)鋼板摩擦系數(shù)0.4，休止角30°。

在計(jì)算中取最不利情況組合，即灰斗排料系統(tǒng)出現(xiàn)故障，灰斗滿灰的情況。取永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2；可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3［3］。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 內(nèi)力分析

根據(jù)以上規(guī)定的約束條件、荷載類型及組合，通過SAP2000的有限元分析，對(duì)灰斗的整體變形、灰斗壁板的應(yīng)力及加勁肋的軸力、彎矩的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（未考慮應(yīng)力集中）見表1。變形、應(yīng)力及內(nèi)力分布見圖3～圖5。

表1最大值統(tǒng)計(jì)表

圖3 灰斗整體變形圖（單位:mm）

圖4 灰斗壁板應(yīng)力云圖（單位:kPa）

圖5 灰斗加勁肋應(yīng)力云圖（單位:kPa）

由表1及圖3～圖5可知，灰斗的最大變形出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，最大變形為10.5 mm，其余個(gè)板壁變形很??；灰斗壁板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，最大應(yīng)力為19.15 MPa；加勁肋的最大彎矩出現(xiàn)在與水平夾角為32°的斜面上，水平向加強(qiáng)勁最大彎矩為 20.28 kN·m，豎向加強(qiáng)勁最大彎矩為0.56 kN·m，在左右板壁靠近前板的位置出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩；加勁肋的最大軸力出現(xiàn)在與水平夾角為32°的斜面上，水平向加強(qiáng)勁最大軸力為131.8 kN，豎向加強(qiáng)勁最大軸力為10.87 kN，左右板壁水平加勁肋由后板壁向前板壁軸力逐漸增大，靠近前板壁部位水平加勁肋出現(xiàn)較大拉力。

3.2 夾角α對(duì)位移的影響

取手冊(cè)推薦的板壁與水平面夾角（取40°）建立對(duì)稱灰斗模型，其余參數(shù)同上述歪嘴灰斗。

將歪嘴灰斗與對(duì)稱灰斗各板壁的最大位移用曲線連接，見圖6。從圖6可以看出，當(dāng)灰斗板壁的角度從粉煤灰的休止角30°到40°的范圍內(nèi)，灰斗板壁的位移由10.5 mm減少到3.1 mm，減小較快。從40°到72°之間位移由3.1 mm減少到1.3 mm，減小較慢；從72°到80°之間位移由1.3 mm減少到0.9 mm位移變化不大。

圖6 角度—位移圖

因此在設(shè)計(jì)時(shí)，宜將灰斗板壁與水平面的夾角設(shè)置在40°到70°之間；若因條件限制灰斗壁與水平面的交角接近貯料的休止角時(shí)，宜在灰斗板壁內(nèi)側(cè)涂刷減小摩擦涂料等措施減少貯料與板壁之間的摩擦系數(shù)；在條件允許的情況下宜采用水沖將貯料帶出灰斗。

3.3 水平加勁肋受力對(duì)比

取歪嘴灰斗與對(duì)稱灰斗的中間一層的水平加勁肋進(jìn)行內(nèi)力比較分析，彎矩與軸力對(duì)比見圖7、圖8。

圖7 灰斗水平加勁肋彎矩對(duì)比（單位:kN·m）

圖8 灰斗水平加勁肋軸力對(duì)比（單位:kN）

從水平加勁肋的內(nèi)力圖可以看出，其受力與封閉框架類似，但歪嘴灰斗在左右側(cè)板上的水平肋出現(xiàn)受力異常，由于灰斗的偏心作用，使得左右側(cè)板上的水平肋出現(xiàn)由后板壁向前板壁方向逐漸增大的負(fù)彎矩；32°斜面上的水平加勁肋以受拉為主，中間受力最大，兩邊依次減小，左右側(cè)板上的水平肋出現(xiàn)由后板壁向前板壁方向逐漸增大的壓力。

鑒于上述歪嘴灰斗水平肋的受力特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)不同夾角斜面上的水平肋采取不同的截面或不同型號(hào)的型鋼，以滿足受力要求。

綜合以上的計(jì)算和對(duì)比結(jié)果可知:隨著板壁與水平面夾角的增大，各構(gòu)件的受力均有減??；歪嘴灰斗的最大變形與應(yīng)力均出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，該板壁與水平面夾角接近于粉煤灰的休止角；歪嘴灰斗水平肋的受力與對(duì)稱灰斗水平肋的受力相差很大，局部出現(xiàn)受力相反的現(xiàn)象；由應(yīng)力云圖可知灰斗與除塵器殼體、法蘭口連接處，壁板與壁板交匯處，豎向加勁肋與除塵器殼體、法蘭口連接處，以及加勁肋與加勁肋交匯處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

4 結(jié) 論

（1）歪嘴灰斗各板壁與水平面夾角不相同，導(dǎo)致變形、應(yīng)力及內(nèi)力在各板壁上分布及大小均相差較大。

（2）灰斗板壁與水平面夾角接近于貯料休止角的斜壁上變形與應(yīng)力均較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免灰斗板壁與水平面夾角過小。

（3）針對(duì)歪嘴灰斗板壁的受力與變形特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中對(duì)不同的面應(yīng)采用不同規(guī)格的材料及構(gòu)造措施；對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施予以加強(qiáng)。

［1］ 張?zhí)熘醭砷裕鹆①?，?某電除塵器灰斗結(jié)構(gòu)極限承載能力狀態(tài)分析［J］.鋼結(jié)構(gòu) ，2007，22（8）:63-65，76.

［2］ 陳建來，丁曉紅，王 峰，等.大型電除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2008，36（15）:102-105.

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［6］ 貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組 .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.

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［8］ 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社.2006.

［9］ 孔春林，張德軒，陳 宇，等.電除塵器灰斗的有限元分析［C］//第十一屆全國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，鄭州，2005:414-416.

Static Analysis of An Askew Mouthed Ash Hopper

LIANG Zhi-qian，ZHAO Jian-chang
（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

In some practical engineering projects，due to the functional requirements of the specific structure or the restrictions imposed by the existing or preinstalled equipment，the entry or exit of the hopper are made into an askew section.Engineering manuals or codes rarely involve the construction and computations of askew hoppers.To determine the stress and deformation of askew hoppers，the FEM analysis of an askew mouthed hopper in a power plant was conducted. In the analysis，the hopper deformation，internal force and stress distributions under static load were calculated and the stress characteristics of the askew hopper was obtained.

askew hopper；static analysis；SAP2000

U318

A

1672—1144（2015）02—0136—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.028

2014-12-04

2014-12-31

梁志乾（1987—），男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。E-mail:liang.zhi.qian@163.com