鋼結(jié)構(gòu)固體筒倉設(shè)計優(yōu)化

徐利新

摘 要：本文從中小型火力發(fā)電廠常見的鋼結(jié)構(gòu)筒倉設(shè)計的角度，從筒體壁厚，結(jié)構(gòu)支撐點，加強圈梁，荷載組合，有限元分析驗證等方面提出了優(yōu)化設(shè)計的建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；筒倉；設(shè)計；荷載組合；有限元；ST梁支撐梁支撐D

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.010

1 概 述

鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工、電力等諸多領(lǐng)域中，作者多年從事火力發(fā)電廠鍋爐輔機除灰工程設(shè)計，為除灰、渣、脫硫、補充床料等系統(tǒng)配套鋼結(jié)構(gòu)筒倉，如飛灰倉，渣倉，石灰石粉倉，砂倉等。

此類筒倉一般容積大于15m3，設(shè)計壓力小于0.1Mp梁支撐。一般結(jié)構(gòu)為圓筒形筒體，圓錐料斗結(jié)構(gòu)，儲料容積從50-1000m3大小不等。筒體一般鋼板卷制，主體可以分體，倉體部分，鋼架，爬梯等部分組成。

2 設(shè)計優(yōu)化

按照國內(nèi)在筒倉設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，為在筒倉設(shè)計中貫徹執(zhí)行國家政策，做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理，現(xiàn)從荷載組合，支撐結(jié)構(gòu)及加強圈梁設(shè)計，筒體壁厚的設(shè)計， 錐料斗角度及倉頂坡度，有限元分析應(yīng)力等方面談?wù)勗O(shè)計優(yōu)化建議。

2.1 荷載及組合

筒倉在設(shè)計時主要考慮以下載荷：

（1）料倉結(jié)構(gòu)自重；（2）儲存物料重量；（3）倉頂及運轉(zhuǎn)層設(shè)備載荷；（4）地震及風(fēng)載荷；（5）其它載荷（如：壓力，熱膨脹，檢修等）。

以上幾類載荷中絕對值最大的是儲存物料重量，它由儲料容積乘以堆積密度得到。但容積有筒倉的幾何容積，有效容積，最大儲料容積等幾個概念，取值不同，載荷會有10-20%左右的偏差。對支架梁柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，會產(chǎn)生較大的影響。建議采用有效儲料容積（考慮可能最大儲料機率）。另外，還有一個因素就是堆積密度。實際的堆積過程中可能有儲料高度較大，物料壓實的情況，實際堆密度會大于理論值。

在實際工程中，一些業(yè)主單位要求在計算結(jié)構(gòu)受力，要求加大的物料的堆密度。對于荷載組合分項系數(shù)，G柱支撐50322-2001 糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范中對儲存物料的荷載1.3，其它可變荷載取1.4 ，地震作用取1.3 。風(fēng)荷載參與組合時，組合情況述詳見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)及加強圈梁設(shè)計

（1）工程實踐中，常見的料倉支撐于建筑物鋼架，或單獨設(shè)計支撐鋼架，如鋼灰?guī)焓仟毩摷?，這類鋼架還要滿足運轉(zhuǎn)層設(shè)備布置，以及底層通車的要求。其支撐點的設(shè)計常見有，直接支撐于梁上或立柱端頭，內(nèi)切和外切兩種。

同樣直徑的倉體，梁支撐結(jié)構(gòu)倉體支撐于梁上，倉傳力于梁，梁傳力到柱。 柱支撐 結(jié)構(gòu)倉體直接支撐于柱上，未經(jīng)梁傳遞受力，柱間梁只起到穩(wěn)定的作用。兩者相比優(yōu)劣同在：

梁支撐結(jié)構(gòu)跨距大，支撐梁受大彎矩，用鋼量大，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，平臺寬，通車能力好。

柱支撐結(jié)構(gòu)跨度小，受力結(jié)構(gòu)好，用鋼量小，豎向穩(wěn)定性稍差，平臺及通車小于梁支撐。

（2）另外倉體支撐座的形式也有多種結(jié)構(gòu)可選，主要有裙座式，短裙座式，加強環(huán)耳式等。 在此推薦短裙座式支座，詳見見圖1具體結(jié)構(gòu)，對于筒體錐體的連接，支撐受力形式，支撐靈活性應(yīng)好于其它，詳述如下：序1為筒體第一層環(huán)板，序2為錐體板，序3為加強筋板，序4底部支撐環(huán)板，用于支撐鋼架粱或柱端。這個結(jié)構(gòu)中序1.2.4之間形成了一個三角結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，序1通過序4傳力于梁或柱。序2與序1之間密封焊接，結(jié)構(gòu)受力可有可靠保證，序1、2之間焊接要求，比圖2可以降低很多。同時序1受側(cè)彎的受力前者也要小很多，設(shè)計壁厚同樣可以降低。

2.3 筒體壁厚的設(shè)計

按N柱支撐/T47003.2-2009圓筒的應(yīng)力計算，分軸向應(yīng)力，周向應(yīng)力兩類，軸向主要有設(shè)計壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，物料與倉殼間磨擦產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，最大彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，倉殼自重及垂直地震力產(chǎn)生軸向應(yīng)力。 圓周應(yīng)力主要由物料產(chǎn)生的水平壓力應(yīng)力。通過軸向，圓周向兩類應(yīng)力的組合來驗證倉殼應(yīng)力是否設(shè)計允許范圍內(nèi)。根據(jù)筒體根據(jù)儲料的高度不同，筒體所受力是變化的，越是底部受力越大，所以在設(shè)計筒體壁厚，變壁厚設(shè)計是比較合理的，也就是在筒底部倉壁厚按設(shè)計取相應(yīng)大值，而到上筒體上部，壁厚逐漸變薄，在不同壁厚環(huán)焊接縫連接處，通過過渡坡口，使焊接處壁厚一致，確保不出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，確保焊接質(zhì)量及結(jié)構(gòu)強度。通過變壁厚設(shè)計，更符合實際的受力，同時也節(jié)省了鋼材。

2.4 錐料斗角度及倉頂坡度

錐料斗的角度直接關(guān)系筒倉卸料的順暢，理論上應(yīng)按物料的物理特性設(shè)計，主要考慮物料粘性，物料的安息角，有無氣化等輔助破拱措施在來確認(rèn)，錐壁與水平面夾角，理論上不小于60度。在料斗下空間允許的情況下，提高到65度 。

室外料倉倉頂應(yīng)考慮排水坡度，因倉頂一般要布置除塵器等設(shè)備，坡度不宜過大，建議取2-3% 。

2.5 有限元分析驗證

通過學(xué)習(xí)N柱支撐/T47003.2-2009可知，要想完整的計算一個料倉各處有受力，其實是不太可能的。規(guī)范也僅提供了主要筒體及錐體板的計算，對于支座的受力則相對復(fù)雜。

在有限元分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的日益豐富，以前手算難以解決的一些問題，可以由計算機得以模似實現(xiàn)，下面通過ST梁支撐梁支撐D PRO 軟件的應(yīng)力，來說明在筒倉設(shè)計中的應(yīng)用。

建模。通過設(shè)計計算或參考資料，第一步按實際尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計，用軟件制作結(jié)構(gòu)模型；第二步，設(shè)定各梁，柱，板材料及截面尺寸與實際結(jié)構(gòu)一致；第三步，施加載荷，包括，結(jié)構(gòu)自重，物料重，各層設(shè)備重，風(fēng)，地震載荷以及荷載組合；第四步，軟件計算，輸出設(shè)計結(jié)果，包括各點位移，梁，板單元應(yīng)力等等；第五步，運用軟件的另一模塊SSDD，用普鋼（G柱支撐50017-2003）進(jìn)行規(guī)范檢驗，確認(rèn)各梁，柱的應(yīng)力，變形，穩(wěn)定性情況符合規(guī)范；第六步，驗證后輸出報告，含支座反力，各梁，板單元應(yīng)力，位移等所需信息。

3 結(jié)語

以上為個人在實際料倉設(shè)計中的一些總結(jié)及體會，有不對的地方提請同行批準(zhǔn)指正。