鋼結(jié)構(gòu)固體筒倉(cāng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐利新（浙江西子聯(lián)合工程有限公司,杭州　310020）

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鋼結(jié)構(gòu)固體筒倉(cāng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐利新
（浙江西子聯(lián)合工程有限公司,杭州310020）

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

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

1　概 述

鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)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(jī)除灰工程設(shè)計(jì)，為除灰、渣、脫硫、補(bǔ)充床料等系統(tǒng)配套鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，如飛灰倉(cāng)，渣倉(cāng)，石灰石粉倉(cāng)，砂倉(cāng)等。

此類筒倉(cāng)一般容積大于15m3,設(shè)計(jì)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(chǔ)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(cāng)體部分，鋼架，爬梯等部分組成。

2　設(shè)計(jì)優(yōu)化

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

2.1荷載及組合

筒倉(cāng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下載荷：

（1）料倉(cāng)結(jié)構(gòu)自重；（2）儲(chǔ)存物料重量；（3）倉(cāng)頂及運(yùn)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(duì)值最大的是儲(chǔ)存物料重量，它由儲(chǔ)料容積乘以堆積密度得到。但容積有筒倉(cāng)的幾何容積，有效容積，最大儲(chǔ)料容積等幾個(gè)概念，取值不同，載荷會(huì)有10-20%左右的偏差。對(duì)支架梁柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生較大的影響。建議采用有效儲(chǔ)料容積（考慮可能最大儲(chǔ)料機(jī)率）。另外，還有一個(gè)因素就是堆積密度。實(shí)際的堆積過程中可能有儲(chǔ)料高度較大，物料壓實(shí)的情況，實(shí)際堆密度會(huì)大于理論值。

在實(shí)際工程中，一些業(yè)主單位要求在計(jì)算結(jié)構(gòu)受力，要求加大的物料的堆密度。對(duì)于荷載組合分項(xiàng)系數(shù)，G柱支撐50322-2001 糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)儲(chǔ)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(shí)，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(qiáng)圈梁設(shè)計(jì)

（1）工程實(shí)踐中，常見的料倉(cāng)支撐于建筑物鋼架，或單獨(dú)設(shè)計(jì)支撐鋼架，如鋼灰?guī)焓仟?dú)立鋼架，這類鋼架還要滿足運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)備布置，以及底層通車的要求。其支撐點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(cāng)體，梁支撐結(jié)構(gòu)倉(cāng)體支撐于梁上，倉(cāng)傳力于梁，梁傳力到柱。 柱支撐 結(jié)構(gòu)倉(cāng)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(tái)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(tái)及通車小于梁支撐。

（2）另外倉(cāng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)筋板，序4底部支撐環(huán)板，用于支撐鋼架粱或柱端。這個(gè)結(jié)構(gòu)中序1.2.4之間形成了一個(gè)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(shí)序1受側(cè)彎的受力前者也要小很多，設(shè)計(jì)壁厚同樣可以降低。

圖1　短裙座式支座（推薦）

圖2　加強(qiáng)環(huán)耳式支座

2.3筒體壁厚的設(shè)計(jì)

按N柱支撐/T47003.2-2009圓筒的應(yīng)力計(jì)算，分軸向應(yīng)力，周向應(yīng)力兩類，軸向主要有設(shè)計(jì)壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，物料與倉(cāng)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(cāng)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(lái)驗(yàn)證倉(cāng)殼應(yīng)力是否設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。根據(jù)筒體根據(jù)儲(chǔ)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(jì)筒體壁厚，變壁厚設(shè)計(jì)是比較合理的，也就是在筒底部倉(cāng)壁厚按設(shè)計(jì)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(qiáng)度。通過變壁厚設(shè)計(jì)，更符合實(shí)際的受力，同時(shí)也節(jié)省了鋼材。

2.4錐料斗角度及倉(cāng)頂坡度

錐料斗的角度直接關(guān)系筒倉(cāng)卸料的順暢，理論上應(yīng)按物料的物理特性設(shè)計(jì)，主要考慮物料粘性，物料的安息角，有無(wú)氣化等輔助破拱措施在來(lái)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(cāng)倉(cāng)頂應(yīng)考慮排水坡度，因倉(cāng)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(yàn)證

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

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

建模。通過設(shè)計(jì)計(jì)算或參考資料，第一步按實(shí)際尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)算，輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，包括各點(diǎn)位移，梁，板單元應(yīng)力等等；第五步，運(yùn)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(yàn)，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(yàn)證后輸出報(bào)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(yǔ)

以上為個(gè)人在實(shí)際料倉(cāng)設(shè)計(jì)中的一些總結(jié)及體會(huì)，有不對(duì)的地方提請(qǐng)同行批準(zhǔn)指正。

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