矩形鋼斗倉(cāng)整體有限元結(jié)構(gòu)分析

李　鵬

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京　100097)

矩形鋼斗倉(cāng)整體有限元結(jié)構(gòu)分析

李鵬

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京100097)

摘要:利用ANSYS和STAAD.Pro有限元分析平臺(tái)，對(duì)某電廠石灰石粉鋼斗倉(cāng)進(jìn)行了整體有限元結(jié)構(gòu)分析，分析結(jié)果準(zhǔn)確反映了斗倉(cāng)倉(cāng)體和加勁肋在最不利工況下的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，為鋼斗倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:鋼斗倉(cāng)，STAAD.Pro，有限元分析，應(yīng)力，加勁肋

0　引言

鋼倉(cāng)一般在廠房?jī)?nèi)部作為小型緩沖倉(cāng)使用，或作為大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)的漏斗使用。矩形鋼倉(cāng)斗屬于特種鋼結(jié)構(gòu)，其計(jì)算方法主要依據(jù)《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，算術(shù)法計(jì)算耗時(shí)久，易出錯(cuò)，精度低。本文以河南省林州市某電廠石灰石粉倉(cāng)鋼斗倉(cāng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，利用ANSYS和STAAD.Pro兩款有限元分析平臺(tái)對(duì)鋼斗倉(cāng)進(jìn)行整體有限元分析，分析結(jié)果互相校對(duì)，提高計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。

1　斗倉(cāng)建模

為更高效的建模和計(jì)算，在ANSYS模型中使用殼體單元Shell163模擬倉(cāng)壁(見圖1)，根據(jù)計(jì)算要求，不同高度區(qū)間內(nèi)的倉(cāng)壁壁厚不同。利用線單元Beam188模擬加勁肋，根據(jù)設(shè)計(jì)需要將Beam單元的截面修改成實(shí)際施工時(shí)的T形加勁肋，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制造安裝的方便，將T形加勁肋水平布置，而并非垂直于斜面。在STAAD平臺(tái)下，選擇使用板單元建模(見圖2)，利用垂直的兩塊板來模擬T形加勁肋，同樣水平布置。

圖1　ANSYS面單元建模

圖2　STAAD板單元建模

同時(shí)為了完全模擬斗倉(cāng)上端與混凝土支持梁構(gòu)件的連接邊界條件，在斗倉(cāng)頂部沿倉(cāng)頂四周加設(shè)豎向倉(cāng)壁板，將該L形板構(gòu)件作為固定支座，并假設(shè)加勁肋，避免轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。圖3中列出了該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際形式和在不同計(jì)算平臺(tái)下的模型渲染效果。從圖3中可以看到通過調(diào)整Beam單元的屬性，將梁偏心至T形鋼底部與壁板連接，完整模擬實(shí)際效果。

圖3　斗倉(cāng)頂部固定節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式

2　荷載輸入

1)本倉(cāng)體倉(cāng)內(nèi)貯料計(jì)算高度hn與矩形筒倉(cāng)短邊bn之比為1＜1.5，所以劃分為淺倉(cāng)。

2)貯料頂面以下距離s處，單位面積上的豎向壓力pv為: pv=ρs;作用于漏斗壁單位面積上的法向壓力pn=ξpv;漏斗壁切向壓力pt= pv( 1－k) sinαcosα;漏斗底面受豎向壓力pv;漏斗口四周倉(cāng)壁受到水平壓力: ph= kρs;查表得石灰石內(nèi)摩擦角φ=35°，根據(jù)GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄D中的表D-1得到ξ=0.431，k =0.271。

3)為方便在ANSYS平臺(tái)下傾斜壁板的荷載輸入，利用法向面單元Surf154，將傾斜倉(cāng)壁板上的荷載分為該面單元上的法向荷載pn和切向荷載pt。

而在STAAD平臺(tái)下可以直接輸入斜板上的豎向壓力pv和水平壓力ph。

3　有限元分析

將模型在兩個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖4，圖5所示。

整體結(jié)果反映出兩平臺(tái)下的模型最大Von Mis值比較接近，應(yīng)力分布情況也一致:最大應(yīng)力集中在兩個(gè)方向斜壁板的交接楞上，這也是鋼板焊接處，因此在施工過程中必須保證該位置焊縫的質(zhì)量。同時(shí)在固定端L形結(jié)構(gòu)下方的鋼板應(yīng)力也較大，此處為固定端到自由端的過渡區(qū)域，整個(gè)斗倉(cāng)的荷載均傳遞至該位置，該區(qū)域的反角必須設(shè)置加勁肋，保護(hù)鋼板拼接焊縫。

圖4　斗倉(cāng)整體應(yīng)力云圖

圖5　斗倉(cāng)整體變形位移圖

倉(cāng)壁變形最大的區(qū)域并未位于倉(cāng)斗較深的中下方，而是比較靠近斗倉(cāng)入口處，因?yàn)榇颂幍钠矫娉叽巛^大，可見倉(cāng)斗邊長(zhǎng)的尺寸的影響超過了壓強(qiáng)沿深度變化的作用。因此該區(qū)域的壁厚和加勁肋尺寸最大，強(qiáng)度最高。

圖6　斗倉(cāng)入口局部應(yīng)力云圖

通過觀察圖6模型局部應(yīng)力云圖，能夠發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力除了出現(xiàn)在斜楞處之外，最上方的T形加勁肋端部的翼緣也出現(xiàn)了較大應(yīng)力。這是因?yàn)樵贏NSYS中的T形加勁肋用Beam單元模擬，Beam單元在交點(diǎn)處并沒有“斷開”，兩個(gè)方向的“線”共用交點(diǎn)，Beam單元在此處仍然連續(xù)，可以認(rèn)為加勁肋為剛接。為了在STAAD模型中模擬出這種剛接效果，斜楞兩側(cè)垂直方向的兩T形加勁板用板單元相連，因此能看到接近入口處出現(xiàn)了最大應(yīng)力作用點(diǎn)，最大應(yīng)力就集中在連接兩側(cè)的連接板處。該連接板兩端的T形加勁肋在受力后將發(fā)生類似兩端固結(jié)的梁的彎曲變形，而連接板則成為受到負(fù)彎矩的支座，出現(xiàn)應(yīng)力集中。這在實(shí)際使用中是不利的。因此在施工圖中并未設(shè)置這一連接板，T形加勁肋的兩端為自由端，變形為簡(jiǎn)支梁的自由變形。T形加勁肋的作用是減少壁板板帶中部的變形，防止倉(cāng)壁“鼓包”，而并非為了保護(hù)端部的壁板搭接段。

4　結(jié)語(yǔ)

1)本文利用ANSYS和STAAD.Pro兩大主流有限元分析平臺(tái)對(duì)矩形斗倉(cāng)進(jìn)行有限元分析，兩款平臺(tái)下的分析結(jié)果接近，分析結(jié)果可靠有效。

2)兩款平臺(tái)各有優(yōu)劣。

ANSYS利用其強(qiáng)大的前處理系統(tǒng)，充分選用和發(fā)揮不同單元的特性，快速的利用面單元和線單元建立模型，并且網(wǎng)格劃分快捷，易操作。當(dāng)然也可選用體單元精細(xì)建模，但建模和分析過程都比較耗時(shí)耗力，卻可避免出現(xiàn)T形加勁肋在端部剛接的效果。其缺點(diǎn)是荷載輸入不夠靈活，本文巧妙的利用法向面單元輔助完成這一過程。

而STAAD.Pro在前處理階段沒有強(qiáng)大的單元庫(kù)作為支撐，建模過程只能是由點(diǎn)圍面，建模過程時(shí)間長(zhǎng)，效率低。在荷載輸入方面靈活易操作。后處理平臺(tái)也支持中國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》檢驗(yàn)，更加實(shí)用。

3)斗倉(cāng)的應(yīng)力最大處出現(xiàn)在兩個(gè)方向的斜板交接斜楞處，此外固定斗倉(cāng)的托板與斜板起始段的銜接處也是應(yīng)力較大的地方。而所有應(yīng)力較大的地方卻都是用焊縫連接，因此對(duì)倉(cāng)體的焊接必須嚴(yán)格要求，按照二級(jí)焊縫等級(jí)控制質(zhì)量，并按鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行制作安裝驗(yàn)收。安裝完畢后增設(shè)防磨層和保護(hù)焊縫用的鋼板，避免在機(jī)組運(yùn)行使用過程中磨損焊縫，發(fā)生倉(cāng)體損壞或者墜落等事故。

4)斗倉(cāng)的變形最大處并不僅僅受到倉(cāng)體深度影響，與倉(cāng)體的平面尺寸或者直徑亦相關(guān)，甚至平面尺寸起控制作用。最大變形區(qū)域接近斗倉(cāng)高度的1/5內(nèi)，因此不能忽略靠近入口處的加勁肋的尺寸和倉(cāng)體鋼板厚度。

5)斗倉(cāng)斜板外側(cè)的T形加勁肋端部不應(yīng)兩兩相互連接，只做自由端，完全釋放端部應(yīng)力。

參考文獻(xiàn):

［1］王秀逸，張平生.特種結(jié)構(gòu)［M］.北京:地震出版社，1997.

［2］《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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［4］張玉峰，朱前亮.雙漏斗型鋼煤斗有限元結(jié)構(gòu)分析［J］.電力建設(shè)，2006，27( 2) :59-60.

Finite element structure analysis of rectangular steel hoper integrity

Li Peng
( Datang Environment Industry Group Co.，Ltd，Beijing 100097，China)

Abstract:Applying ANSYS and STAAD.Pro finite element analysis platform，the paper carries out integral finite element analysis for the integral steel hopper of the limestone of the power plant.The analysis results accurately reflects stress distribution and deformation law of the steel hopper and stiffening rib，which has provided some guidance for steel hopper design.

Key words:steel hopper，STAAD.Pro，finite element analysis，stress，stiffening rib

作者簡(jiǎn)介:李鵬(1982-)，男，碩士，工程師

收稿日期:2015-11-22

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0034-02

中圖分類號(hào):TU311.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A