能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)改造加固適應(yīng)性研究

林 國(guó) 章

(湖南大象建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

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能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)改造加固適應(yīng)性研究

林 國(guó) 章

(湖南大象建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

針對(duì)某能源倉下煤不順暢的問題，進(jìn)行能源倉改造加固，介紹了能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了空間有限元模型，對(duì)能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)在改造加固前后的受力性能進(jìn)行了分析，并對(duì)比分析結(jié)果，提出相關(guān)數(shù)據(jù)作為改造加固依據(jù)。

能源倉，支撐結(jié)構(gòu)，有限元模型，改造加固

0 引言

能源倉作為存貯各種原材料的一種結(jié)構(gòu)形式，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

在燃煤電廠儲(chǔ)存原煤的煤倉也是屬于能源倉的一種，而煤倉在運(yùn)行中最常遇見的問題就是堵煤。堵煤會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及帶負(fù)荷能力。針對(duì)此問題,需要及時(shí)分析能源倉的結(jié)構(gòu)及存在問題,提出了解決辦法及改造加固方案。本文結(jié)合某能源倉下煤不順暢的問題，進(jìn)行能源倉改造加固，而改造加固將會(huì)對(duì)能源倉和框架結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，鑒于改造加固施工安全及改造加固后能源倉支撐結(jié)構(gòu)的受力性能，進(jìn)行能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)在改造加固前后的受力分析，并對(duì)比分析結(jié)果，提出相關(guān)數(shù)據(jù)作為改造加固依據(jù)。

1 能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)形式

能源倉為鋼結(jié)構(gòu)圓筒倉，從外形上像一個(gè)“褲衩”。上部為圓柱形倉筒；中部為支撐整個(gè)煤倉的圓柱形裙筒；下部為形似半斜橢圓錐的漏斗。鋼煤倉上部圓柱筒壁板用δ=10 mm Q235鋼板，下部斜橢圓錐漏斗斜平板及錐面板均采用δ=10 mm Q235鋼板+δ=2 mm 1Cr13復(fù)合鋼板，支撐裙筒采用δ=30 mm Q235鋼板。

由于能源倉下煤不順暢，對(duì)其進(jìn)行改造加固，對(duì)褲衩高度下降4 m。改造加固材料采用δ=10 mm Q235鋼板+δ=2 mm 1Cr13復(fù)合鋼板，同時(shí)增加必要的加強(qiáng)肋。能源倉支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1)能源倉。原煤容重r=10 kN/m3,沖擊系數(shù)C=1.0；應(yīng)力計(jì)算時(shí)考慮活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3；充盈系數(shù)為0.8。

2)支撐結(jié)構(gòu)。a.該結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)所采用材料為：C40混凝土：重力密度取為2 500 N/m3，彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.2。鋼筋：-HPB235級(jí)，-HRB335級(jí)，-HRB400級(jí)，型鋼采用Q235鋼。b.該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)為：本地區(qū)場(chǎng)地震動(dòng)加速度峰值0.5g，相當(dāng)于地震基本烈度為6度，7度抗震設(shè)防，框架抗震等級(jí)二級(jí)[5]，場(chǎng)地土類別Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.4 kN/m2。鋼筋保護(hù)層：梁、柱鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度為：梁-25 mm，柱-30 mm，且不小于受力鋼筋的直徑。

2 空間有限元模型

2.1 能源倉空間有限元模型

采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)能源倉在正常使用荷載作用下的受力性能進(jìn)行分析[6-9]，分析的模型為梁?jiǎn)卧Y(jié)合板殼單元模型。其中圓筒倉壁板以及漏斗壁采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元(Shell63)進(jìn)行模擬，加勁肋采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?Beam188)進(jìn)行模擬，原煤荷載在考慮沖擊系數(shù)以后通過表面效應(yīng)單元(Surf154)進(jìn)行加載。根據(jù)實(shí)際荷載分布情況對(duì)該模型進(jìn)行加載。建立的空間有限元計(jì)算模型如圖1，圖2所示，其中圖1為改造加固前空間有限元計(jì)算模型，圖2為改造加固后空間有限元計(jì)算模型。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)空間有限元模型

采用有限元軟件對(duì)支撐煤倉的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由于該框架在不同高程處設(shè)置的混凝土梁、型鋼梁較密集，只對(duì)改造加固對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響范圍內(nèi)的框架進(jìn)行建模，模型如圖3所示。該結(jié)構(gòu)的荷載為：1)結(jié)構(gòu)自重；2)煤倉傳遞到支撐點(diǎn)的荷載。荷載布置如圖4所示。

3 改造加固前后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)比分析

3.1 能源倉

1)改造加固前。改造加固前荷載作用下模型的撓度和Von-Mises應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出：a.煤倉變形：整個(gè)煤倉的最大位移在漏斗斜平板自下向上第3，4道水平環(huán)向加勁肋之間的壁板中部，其位移值為2.63 mm，滿足規(guī)范要求。b.煤倉應(yīng)力：從應(yīng)力分布來看，煤倉壁板應(yīng)力最大區(qū)域是漏斗斜平板與錐面的交接處，最大應(yīng)力為119 MPa,壁板絕大多數(shù)地方的應(yīng)力均小于79 MPa。煤倉的應(yīng)力值小于Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。支座以及倉筒、裙筒與兩斜平板交匯處應(yīng)力集中較明顯,其最大值為92 MPa。

2)改造加固后。改造加固后荷載作用下模型的撓度和Von-Mises應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出：a.煤倉變形：整個(gè)煤倉的最大位移在改造加固后“褲衩”處，其位移值為5.68 mm，滿足規(guī)范要求。b.煤倉應(yīng)力：從應(yīng)力分布來看，煤倉壁板應(yīng)力最大區(qū)域是在改造加固后“褲衩”處，最大應(yīng)力為179 MPa，壁板絕大多數(shù)地方的應(yīng)力均小于99.6 MPa。煤倉的應(yīng)力值小于Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。支座以及倉筒、裙筒與兩斜平板交匯處應(yīng)力集中較明顯，其最大值為119 MPa。

3.2 能源倉支撐結(jié)構(gòu)

1)改造加固前。對(duì)于改造加固前的結(jié)構(gòu)，支撐點(diǎn)1～4的反力分別是381 kN，367 kN，371 kN，574 kN。

在有限元軟件中加載計(jì)算后，得出主要構(gòu)件的配筋與原設(shè)計(jì)相對(duì)比，數(shù)據(jù)如表1所示，可知原設(shè)計(jì)在保證承載力的要求上鋼筋富余量較充足。

表1 改造加固前支撐結(jié)構(gòu)配筋情況對(duì)比

2)改造加固后。對(duì)于改造加固后的結(jié)構(gòu)，支撐點(diǎn)1～4的反力分別是345 kN，421 kN，463 kN，532.3 kN。對(duì)比理論計(jì)算數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可知在對(duì)能源倉進(jìn)行改造加固后，荷載由678 t增加為704.4 t，支撐結(jié)構(gòu)受力依然滿足要求。

4 結(jié)語

1)能源倉變形：改造加固前，整個(gè)能源倉的最大位移在漏斗斜平板自下向上第3，4道水平環(huán)向加勁肋之間的壁板中部，其位移值為2.63 mm，滿足規(guī)范要求；改造加固后，整個(gè)能源倉的最大位移在改造加固后“褲衩”處，其位移值為5.68 mm，滿足規(guī)范要求。

2)能源倉應(yīng)力：改造加固前，能源倉壁板應(yīng)力最大區(qū)域是漏斗斜平板與錐面的交接處，最大應(yīng)力為119 MPa，壁板絕大多數(shù)地方的應(yīng)力均小于79 MPa，能源倉的應(yīng)力值小于Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa；支座以及倉筒、裙筒與兩斜平板交匯處應(yīng)力集中較明顯，其最大值為92 MPa；改造加固后，能源倉壁板應(yīng)力最大區(qū)域是在改造加固后“褲衩”處，最大應(yīng)力為179 MPa，壁板絕大多數(shù)地方的應(yīng)力均小于99.6 MPa，能源倉的應(yīng)力值小于Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，支座以及倉筒、裙筒與兩斜平板交匯處應(yīng)力集中較明顯，其最大值為119 MPa。

3)能源倉支撐結(jié)構(gòu)配筋：結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，改造加固前和改造加固后，支撐結(jié)構(gòu)受力都滿足要求。

4)由改造加固前后的分析計(jì)算可知，按此種方案對(duì)能源倉進(jìn)行改造加固，對(duì)能源倉及其支撐結(jié)構(gòu)都是可行、安全的。

[1] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 騰錦管光,趙 陽.大型鋼筒倉的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2001，34(4)：36.

[3] GB 700—88，碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[4] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 郭 穎.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施手冊(cè)[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[6] 川井忠彥.振動(dòng)矩陣分析方法[M].劉錫薈，譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1982.

[7] 魏 群.散體單元法的基本原理及程序[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[8] 何福保,沈亞鵬.板殼理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1993.

[9] 張立新,徐長(zhǎng)航,陳江榮,等.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

On energy storage and its adoptability of reconstruction and consolidation of its support structure

Lin Guozhang

(HunanDaxiangArchitecturalPlanningandDesignCo.,Ltd,Changsha410000,China)

According to insufficient coal transfer at energy storage, the paper undertakes the reconstruction and consolidation of the storage, introduces the forms and design parameter for the storage and its support structure, establishes the spatial finite element model, and undertakes the stress analysis of the structure before and after the consolidation, and points out the related data can be used as the reference for the reconstruction and consolidation according to its comparative results.

energy storage, support structure, finite element model, reconstruction and consolidation

1009-6825(2016)05-0048-03

2015-12-02

林國(guó)章(1982- )，男，工程師

TU318

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