圓形煤場整體式擋墻動力特性有限元分析

王云極，袁　泉，宮赫乾

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春　130021)

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量的提升，對儲煤場煤的儲量要求不斷提高。大直徑封閉式圓形儲煤場具有占地小、儲煤量大、自動化程度高、便于配煤、運(yùn)行安全可靠、抗惡劣天氣強(qiáng)、對環(huán)境污染小、煤損耗小、景觀好等特點(diǎn)[1]，因而在電力行業(yè)得到較好的應(yīng)用。

封閉式圓形儲煤場干煤棚由上部球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部擋墻結(jié)構(gòu)組成。其中，下部擋墻結(jié)構(gòu)可分為分離式和整體式兩種，相比較而言，整體式擋墻結(jié)構(gòu)具有整體性好、材料和用地面積較少等優(yōu)點(diǎn)。整體式圓形煤場擋墻結(jié)構(gòu)主要由環(huán)形基礎(chǔ)、擋煤墻、頂部環(huán)梁組成，在工程實踐中主要應(yīng)用帶扶壁柱和無扶壁柱兩種整體式擋墻結(jié)構(gòu)。

整體式擋墻結(jié)構(gòu)形式雖然簡單，但上部網(wǎng)架質(zhì)量較大，并要為其提供可靠的支撐，自身范圍、高度較大，加之結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度沿豎向分布不均勻，其自身動力特性以及不同工作荷載作用下對其動力特性的影響必須加以重視。

1　工程概況

我國北方某熱電廠工程項目規(guī)劃4×300 MW供熱機(jī)組，一期完成2臺機(jī)組，建設(shè)2座圓形煤場，儲煤總量約為1.5×105t，屋面采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，擋墻采用整體式擋墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部分主要由基礎(chǔ)、擋墻、壁式牛腿、扶壁柱、輸煤地道組成，扶壁柱頂端預(yù)留埋件與屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相連。擋墻高度為22.1 m，厚度為0.9 m，內(nèi)徑為90.5 m，扶壁柱寬度為1.2 m，墻頂環(huán)形走道板寬度為2.15 m，壁式牛腿挑出長度為0.75 m，端部高度為0.6 m，根部高度為1 m，輸煤地道內(nèi)壁尺寸4.5 m×3.3 m，整體式擋墻結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　圓形煤場整體式擋墻結(jié)構(gòu)

2　工作荷載

2.1　恒定荷載

圓形儲煤場干煤棚結(jié)構(gòu)由上部球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部擋墻結(jié)構(gòu)組成，擋墻結(jié)構(gòu)所受恒定荷載由上而下，即網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自重、擋墻結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)自重。上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過與擋墻之間的預(yù)埋件將自重傳遞給擋墻結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件沿?fù)鯄A周每10°設(shè)置一個，共36個，單個預(yù)埋件上所受豎向荷載為400 kN[2]，共計14 400 kN。

2.2　活動荷載

擋墻結(jié)構(gòu)所受活動荷載主要為門架式取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)作用在擋墻頂部圓周上的輪壓，輪壓主要由門架、行走機(jī)構(gòu)、欄桿、卷揚(yáng)支架、司機(jī)室、電氣室、料耙等各組成部分的自重引起，此外，當(dāng)料耙在取料范圍內(nèi)處于不同工位時，料耙重心的移動還將引起輪壓的變化[3]，其中，料耙上仰時輪壓最小，取料耙下俯時的輪壓為964.3 kN，水平和下俯時較為接近。

擋墻頂部沿圓周設(shè)置通行走道板，滿足檢修、通行以及參觀需求，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載取值，按3.5 kN/m2計算。

2.3　堆煤壓力

堆煤壓力的計算，可以按照極限平衡理論，在考慮煤與混凝土側(cè)壁之間的摩擦力的情況下，假設(shè)不同的滑移面，求出擋墻對煤體的反力，其中最大者為堆煤壓力，再假定它沿高度為線性分布，便可換算出側(cè)壓力系數(shù)[4]。煤體對擋墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力p可按公式(1)計算[1,5-8]：

p=KγI

(1)

式中：p為任意一點(diǎn)的側(cè)向壓力；K為側(cè)壓力系數(shù)，取0.45；γ是煤的容重，取13 kN/m3；I為內(nèi)壁處煤堆表面到該點(diǎn)的深度。

3　有限元數(shù)值模型

整體式擋墻有限元數(shù)值模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于擋墻圓心，標(biāo)高±0.000 m處，采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，符合右手定則：x軸沿輸煤地道方向，以由內(nèi)而外為正；y軸沿豎直方向，以豎直向上為正；z軸沿垂直輸煤地道方向。扶壁柱為上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)固定支座，按10°間隔設(shè)置，為描述方便，以輸煤地道及洞口中線為基準(zhǔn)，沿逆時針方向?qū)Ψ霰谥幪枺纯趦蓚?cè)扶壁柱編號分別為1和36。

模型采用質(zhì)量單元(Mass21)模擬堆煤壓力作用，并將上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)重量施加于模型，按180°堆煤來考慮堆煤荷載的最不利布置工況[9-10]，即以x軸正向起始，沿逆時針方向繞y軸形成的180°范圍內(nèi)布置堆煤荷載。擋墻結(jié)構(gòu)采用Solid45單元模擬，有限元三維模型見圖2，單元共24 961個，節(jié)點(diǎn)共35 398個。

擬定通過2種計算方案開展研究工作，方案1，不考慮活動荷載及堆煤壓力；方案2，考慮活動荷載及堆煤壓力，并按照堆煤荷載最不利布置計算，走道板活荷載重力布置范圍與堆煤荷載相同，同時將取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)輪壓重力作用于壁式牛腿頂面90°處，混凝土標(biāo)號為C30，彈性模量為30 GPa，剪切模量為12 GPa，泊松比為0.20，密度為2 400 kg/m3。

圖2　整體式擋墻有限元三維模型

4　自振模態(tài)計算及結(jié)果分析

利用ANSYS有限元分析軟件對圓形煤場整體式擋墻結(jié)構(gòu)有限元三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，可選擇的模態(tài)提取方法共7種，分別是：子空間迭代法、分塊(Lanczos)法、動態(tài)提取(Power Dynamics)法、縮減法、非對稱法、阻尼法、正交直角三角形(QR)阻尼法等。不同的適用性，其中以子空間迭代法、分塊法、縮減法、動態(tài)提取法最為常用，并且能夠基本滿足大多數(shù)工程計算問題的各項要求，本文采用由經(jīng)典Lanczos法演化而來的分塊Lanczos法。

4.1　結(jié)構(gòu)自振模態(tài)計算

通過既定的2種計算方案，分別計算整體式擋墻結(jié)構(gòu)前30階自振周期，前20階計算結(jié)果見表1、表2。

對應(yīng)于2個方案第1、2階振型的振型圖分別見圖3、圖4。

4.2　自振特性結(jié)果分析

a.方案1：自振頻率分布比較密集，基頻周期僅為0.116 s，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大；前10階振型圖表現(xiàn)出關(guān)于輸煤地道的對稱或反對稱關(guān)系；前4階振型均位于洞口附近或洞口對面，說明洞口的剛度削弱不近對洞口附近有影響，甚至?xí)绊懙蕉纯趯γ嫖恢?；從?階振型開始，各振型均為結(jié)構(gòu)整體振動，扶壁柱均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；第15、18階分別為沿輸煤地道和垂直輸煤地道方向的整體振動。

表1　方案1擋墻結(jié)構(gòu)自振周期

b.方案2：前10階振型圖并未表現(xiàn)出明顯的對稱關(guān)系；前4階振型均出現(xiàn)在堆煤荷載布置邊界位置，第1、3階更與洞口位置相關(guān)，正是結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度分布變化最為明顯的部位；從第5階振型開始，絕大多數(shù)振型下，扶壁柱均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；第20階為垂直輸煤地道方向的整體振動。

c.考慮了活動荷載的最不利布置以后，結(jié)構(gòu)自振頻率數(shù)值上整體稍稍降低，振型上變化較大，關(guān)于洞口的對稱或反對稱關(guān)系消失，且在前20階振型中未出現(xiàn)沿輸煤地道方向的整體振動模態(tài)，說明受工作荷載影響，尤其堆煤荷載的最不利布置對結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布產(chǎn)生較大影響；前4階振型均出現(xiàn)在洞口附近、洞口對面附近以及堆煤荷載布置邊界位置，說明質(zhì)量與剛度的突變對擋墻結(jié)構(gòu)自振特性影響突出，此類位置容易成為薄弱位置；整體振動模態(tài)，扶壁柱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮扭轉(zhuǎn)帶來的不利影響，提高扶壁柱抗扭能力。

表2　方案2擋墻結(jié)構(gòu)自振周期

圖3　方案1擋墻結(jié)構(gòu)第1、2階自振模態(tài)

圖4　方案2擋墻結(jié)構(gòu)第1、2階自振模態(tài)

5　結(jié)論

采用模態(tài)分析方法，按照是否考慮活動荷載及堆煤壓力2個方案，計算了大直徑圓形煤場整體式擋墻結(jié)構(gòu)前20階自振周期，通過分析自振頻率計算結(jié)果及振型圖得出以下結(jié)論。

a.整體式擋墻結(jié)構(gòu)剛度較大。

b.考慮最不利布置的堆煤荷載對結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布產(chǎn)生較大影響。

c.洞口附近剛度突變?nèi)菀壮蔀楸∪醪课弧?/p>

d.設(shè)計時應(yīng)充分考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對扶壁柱產(chǎn)生的不利影響。

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