生料庫內(nèi)倒錐的有限元分析

馬德寶

在水泥廠中生料庫是重要的建筑物，生料庫內(nèi)采用倒錐形底板是常見的形式。錐形底可以跨越較大的直徑，而不需在倉內(nèi)設(shè)置柱子，倉底下的空間較大，可以設(shè)置收塵器等設(shè)施。錐形底在堆料荷載作用下，錐膜內(nèi)力全部為壓力，符合混凝土受壓性能好的特點。

以下以某水泥有限公司5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線工程——生料均化庫/生料入窯喂料系統(tǒng)為例，進(jìn)行建模。

1　工藝資料及料壓荷載

（1）工藝資料提供的布置圖如圖1～3。

（2）庫壁及倒錐的料壓面荷載：

其中：

γ——貯料的重力密度

圖1　工藝立面布置圖

圖2　整體建模簡化立面布置圖

圖3　單獨建模簡化立面布置圖

φ——貯料的內(nèi)摩擦角

μ——貯料與倉壁的摩擦系數(shù)

Cv——深倉貯料豎向壓力修正系數(shù)

α——倒錐錐面傾斜角

ρ——筒倉水平凈截面的水力半徑

k——側(cè)壓力系數(shù)

ξ——錐面上法向壓力與豎向壓力的轉(zhuǎn)換系數(shù)

根據(jù)GB 50077-2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》得出：

倒錐部分面荷載：

Pt=155．2KN/m2，Pn=77．6kN/m2

其中：

Pt——錐面切向壓力

Pn——錐面單位面積上的法向壓力

倒錐以上庫壁部分面荷載：

Ph1=11．7kN/m2Pf1=5．3kN/m2

Ph2=37．9kN/m2Pf2=40．2kN/m2

Ph3=71．0kN/m2Pf3=75．5kN/m2

Ph4=103．6kN/m2Pf4=106．2kN/m2

Ph5=125．2kN/m2Pf5=133．0kN/m2

Ph6=144．0kN/m2Pf6=156．3kN/m2

Ph7=160．3kN/m2Pf7=176．8kN/m2

Ph8=174．6kN/m2Pf8=194．4kN/m2

Ph9=187．1kN/m2Pf9=210．0kN/m2

Ph10=198．0kN/m2Pf10=223．4kN/m2

Ph11=207．3kN/m2Pf11=235．1kN/m2

其中：

Ph——貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s（m）處，貯料作用于倉壁單位面積上的水平壓力

Pf——貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s（m）處的計算截面以上倉壁單位周長上的總豎向摩擦力

（3）荷載組合

式中：

U——各種荷載的組合值，kN

D——恒荷載，kN

L_liao——儲料荷載，kN

L_equ——設(shè)備活荷載，kN

2　根據(jù)工藝資料建sap2000模型

（1）倒錐與庫壁整體建模，連接處設(shè)置一環(huán)梁，見圖4～7。

（2）將倒錐單獨建模，倒錐底部設(shè)置一環(huán)梁，并將支座設(shè)置為滾動支座，見圖8～11。

3　計算結(jié)果及分析

3．1　倒錐與庫壁整體建模，連接處設(shè)置一環(huán)梁的內(nèi)力結(jié)果及分析見表1。

（1）環(huán)梁支座徑向位移受環(huán)梁截面尺寸和倒錐殼厚度影響，對倒錐殼厚度反應(yīng)較敏感，但位移絕對值很小，且為指向遠(yuǎn)離庫中心方向。

圖4　倒錐與庫壁整體建模示意圖

圖5　倒錐與庫壁整體建模sap模型

圖6　倒錐與庫壁整體建模時庫壁水平料壓

圖7　倒錐與庫壁整體建模時庫壁豎向摩擦力

（2）環(huán)梁軸向力隨環(huán)梁截面增加而變大，加大倒錐殼厚度對減小環(huán)梁軸向力有效果，且環(huán)梁軸向力為拉力。

圖8　倒錐單獨建模示意圖

圖9　倒錐單獨建模sap模型

圖10　倒錐單獨建模時倒錐所受料壓

圖11　倒錐單獨建模時倒錐所受摩擦力

表1　不同環(huán)梁截面和不同倒錐殼厚度情況下內(nèi)力結(jié)果表（倒錐與庫壁整體建模時）

（3）倒錐殼厚度對殼內(nèi)雙向彎矩影響較大，但彎矩絕對值較小，可不考慮。

（4）倒錐殼內(nèi)環(huán)向膜力為拉力，而徑向膜力為壓力，且膜力隨厚度增加而變大。

3．2　將倒錐單獨建模，倒錐底部設(shè)置一環(huán)梁，并將支座設(shè)置為滾動支座的內(nèi)力結(jié)果及分析見表2。

（1）環(huán)梁支座徑向位移受環(huán)梁截面尺寸和倒錐殼厚度影響，對倒錐殼厚度反應(yīng)較敏感，但位移絕對值很小，且為指向庫中心方向。

（2）環(huán)梁軸向力隨環(huán)梁截面增加而變大，加大倒錐殼厚度對減小環(huán)梁軸向力效果明顯，且環(huán)梁軸向力為壓力。

（3）倒錐殼內(nèi)雙向彎矩幾乎為零，可不考慮。

（4）倒錐殼內(nèi)兩個方向的膜力均為壓力，徑向膜力較環(huán)向膜力大約一倍，占主導(dǎo)地位。

4　結(jié)語

綜合以上計算結(jié)果，按上述倒錐角度計算，與庫壁整體建模時倒錐下部環(huán)梁為拉力，倒錐單獨建模時倒錐下部環(huán)梁為壓力。我們看到當(dāng)?shù)瑰F與庫壁整體建模時，由于庫壁受到貯料荷載的作用，在底部環(huán)梁位置的庫壁產(chǎn)生很大的水平作用效應(yīng)；而將倒錐與庫壁脫開單獨建模時，倒錐只受到貯料整體趨勢為豎直向下的壓力作用，所以環(huán)梁的軸向力在當(dāng)?shù)瑰F與庫壁整體建模時為拉力作用，在倒錐與庫壁脫開單獨建模時為壓力作用。

表2　不同環(huán)梁截面和不同倒錐殼厚度情況下內(nèi)力結(jié)果表（倒錐單獨建模時）

當(dāng)構(gòu)件的內(nèi)力為壓力時，如采用混凝土材料則符合混凝土受壓性能好的特點，材料消耗相對較少。但采用倒錐與庫壁脫開單獨建模時，在倒錐環(huán)梁下部的庫壁處需要設(shè)置庫壁圈梁，而采用倒錐與庫壁整體建模的方案時，則只設(shè)置唯一環(huán)梁即可。在混凝土用量的經(jīng)濟(jì)性方面應(yīng)根據(jù)具體項目的要求和整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定倒錐與庫壁的連接方式。

實際工程中，在倒錐角度與本文一致時，應(yīng)用倒錐和庫壁脫離的方式更符合混凝土的受力性能，更能發(fā)揮混凝土的耐壓優(yōu)勢?！?/p>