圓筒煤倉倉壁受力特征研究

田 洲

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

圓筒煤倉作為儲存煤的容器，具有利于環(huán)保、占地少、卸料通暢、易于機械化操作等優(yōu)點，在選煤廠應(yīng)用非常普遍。隨著筒倉理論研究的深入和施工技術(shù)的提高，目前筒倉的直徑和容量都有了很大的提高，但是按照GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》[1](以下簡稱“筒規(guī)”)設(shè)計的筒倉在使用過程中出現(xiàn)裂縫、發(fā)生破壞的情況卻時有發(fā)生[2]。為提高筒倉的安全性和可靠性，保證生產(chǎn)的正常運行，對圓筒倉的受力特征進(jìn)行深入研究十分必要。文章基于Janssen理論[3], 利用有限元SAP2000軟件建立模型，通過深入分析研究儲煤圓筒倉倉壁的受力機理，找出可能存在的安全隱患,以期為選煤廠圓筒煤倉設(shè)計提供參考。

1 工程概況及計算參數(shù)

研究以四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司石洞溝選煤廠原煤倉設(shè)計為例來進(jìn)行說明。該選煤廠圓筒煤倉為混凝土結(jié)構(gòu)，直徑(內(nèi)徑)為15 m，高度為32.6 m；為筒壁和內(nèi)柱共同支撐結(jié)構(gòu)，筒壁、倉壁均采用250 mm厚C30混凝土，第1層設(shè)兩個車道(圖1)，在標(biāo)高+10.475 m平面布置四個漏斗(圖2)，倉頂采用收口形式，倉上采用混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)防烈度為6度，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)周期為50年，設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。根據(jù)GB50359—2005《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》，原煤重力密度為11 kN/m3，內(nèi)摩擦角為32°，摩擦系數(shù)(對混凝土板)為0.5；根據(jù)GB50583—2010《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,本地區(qū)風(fēng)荷載W=0.4 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2。

圖1 首層平面布置圖

圖2 首層1-1剖面圖

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型的確定

根據(jù)儲煤圓筒倉的結(jié)構(gòu)類型及受力特點，有限元單元的類型采用殼單元，本工程中殼單元為曲面，其薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力耦合具有平面內(nèi)外的剛度，既能承受膜力，也能承受彎曲應(yīng)力[4]。

2.2 材料屬性

本工程圓筒倉采用C30混凝土，根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，彈性模量Ec=3.00×104N/mm2，抗壓強度fc=14.3 N/mm2，抗拉強度ft=1.43 N/mm2，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3。

2.3 有限元模型及荷載

對混凝土圓筒倉結(jié)構(gòu)，采用有限元SAP2000軟件建立三維模型(圖3)，采用殼單元。對圓筒倉上部混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，僅計入其質(zhì)量[6]；圓筒倉基礎(chǔ)埋深較大，故首層底部視為嵌固端。

根據(jù)“筒規(guī)”，本工程圓筒倉為淺倉，故忽略沿倉壁周長總豎向摩擦力，作用于倉壁單位面積上的水平壓力成梯形分布，底部最大為64 kN/m2，上部環(huán)梁處最小為16 kN/m2，如圖4所示。

圖3 圓筒倉有限元模型

圖4 倉壁荷載示意圖

3 受力特征分析

3.1 動力特性

儲煤圓筒倉結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)情況不僅與儲煤荷載有關(guān)，同時與結(jié)構(gòu)的動力特性有關(guān)[7]。結(jié)構(gòu)的動力特性既能反映出結(jié)構(gòu)本身整體剛度的大小和分配的均勻程度，也是結(jié)構(gòu)動力設(shè)計中最重要的參數(shù)和其他各類動力學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)[8]。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)自身的動力特性，如固有頻率和各階陣型。混凝土圓筒倉結(jié)構(gòu)前3階的自振頻率及陣型特征如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)陣型頻率與陣型特征Table 1 Structural formation frequency and characteristics

由表1可以得出，該倉結(jié)構(gòu)陣型特點為：①基頻適中，基本頻率為2.72 Hz，說明該結(jié)構(gòu)剛度較大，利于結(jié)構(gòu)抗震；②由結(jié)構(gòu)前3階陣型可以看出，呈現(xiàn)平動、平動、扭轉(zhuǎn)的陣型分布特征，符合GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)以平面振動為主，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)良好的動力特性，布置較合理。

3.2 受力特征分析

根據(jù)“筒規(guī)”計算得到儲煤水平壓力并施加于結(jié)構(gòu)，得到倉壁的環(huán)向拉應(yīng)力云圖，如圖5所示。由“筒規(guī)”計算公式ph=kγs(其中：ph為作用于倉壁單位面積上的水平壓力；k為側(cè)壓力系數(shù)；γ為儲料的堆密度；s為儲料錐體重心至所計算截面的距離)計算得到的倉壁環(huán)向拉應(yīng)力ph和有限元分析得到的環(huán)向拉應(yīng)力，繪制出倉壁環(huán)向主拉應(yīng)力對比折線圖，如圖6所示。

圖5 倉壁環(huán)向主拉應(yīng)力云圖

圖6 倉壁環(huán)向主拉應(yīng)力對比圖

由“筒規(guī)”公式4.2.6-1計算得到的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在倉壁與環(huán)梁相交處，且隨著高度的增加呈線性分布；通過有限元計算得出最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在儲料錐體重心至截面底部1/4處，并在頂部環(huán)梁處出現(xiàn)拉應(yīng)力增大的突變；在儲料荷載作用下，環(huán)梁對倉壁的約束作用在儲料錐體重心至截面底部1/4范圍內(nèi)明顯，使薄弱部位上移，有限元計算結(jié)果與實際儲煤倉易產(chǎn)生裂縫位置相符。

綜上分析，按“筒規(guī)”公式計算基本上能滿足工程需要，但對薄弱部位的判斷存在明顯不足之處，因此對于結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在工程設(shè)計中應(yīng)注意予以加強。

4 結(jié)論

隨著選煤廠的大型化發(fā)展，選煤工業(yè)對儲煤圓筒倉的直徑和容量都提出了更高的要求，但是按照“筒規(guī)”設(shè)計的筒倉不能滿足實際工程的需要。為掌握倉壁的應(yīng)力分布特征，本研究通過規(guī)范公式和有限元分析方法對圓煤倉倉壁的受力特征進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)按“筒規(guī)”公式4.2.6-1計算基本上能滿足工程需要，但對薄弱部位的判斷與實際受力狀態(tài)存在偏差。

(2)倉壁最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在儲料錐體重心至截面底部1/4處，在儲料荷載作用下，環(huán)梁對倉壁的約束作用在一定范圍內(nèi)明顯。

(3)對圓筒倉倉壁進(jìn)行有限元受力特征分析，可彌補傳統(tǒng)設(shè)計理論中無法考慮環(huán)梁與倉壁之間連接復(fù)雜對倉壁內(nèi)力的影響，從而為選煤廠圓筒倉的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1] GB50077—2003 鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 周 云，宗 蘭，張文芳，等.土木工程抗震設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2005：83-84.

[3] 貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編寫組. 貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999： 109-112

[4] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司.SAP2000中文版使用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2006：40-41.

[5] GB-50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].

[6] 郭宏盛，盛宏玉.倉頂對筒倉計算結(jié)果的影響分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012(7)：961-963.

[7] 田 洲，劉春艷.大跨度儲煤棚拱桁架結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].選煤技術(shù)，2013(2)：16-18

[8] 張文芳，田 洲,李慶玲.晉祠舍利生生塔磚結(jié)構(gòu)的地震破壞形態(tài)研究[J].工程抗震與加固改造，2011(3)：7-11.