大直徑貯煤筒倉(cāng)在季節(jié)溫差影響下的內(nèi)力分析

陳海娜

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000)

0 引言

在很多文獻(xiàn)中，筒倉(cāng)也被稱作貯倉(cāng)[1]，通常用于存放較為松散的顆粒狀或小型塊狀的材料、燃料等，例如燃煤、礦石、谷物、碎石等，在實(shí)際生產(chǎn)中扮演著極其重要的角色。

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，各種設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，我國(guó)是一個(gè)工農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)能源的需求量很大，這就使得大直徑貯料筒倉(cāng)成為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。從1995年大型淺圓倉(cāng)被引入我國(guó)，到2007年，在廣東惠來(lái)電廠建成的壁厚為700～1 100 mm、直徑為120 m的圓形貯煤倉(cāng)，大直徑的筒倉(cāng)越來(lái)越多。然而由于環(huán)境或天氣原因所引起的溫度變化對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響也越來(lái)越被廣泛地關(guān)注[1]，特別是季節(jié)溫差會(huì)對(duì)貯料倉(cāng)壁的縱向裂縫、配筋產(chǎn)生很大的影響，因此本文重點(diǎn)對(duì)比研究季節(jié)溫升溫降所引起的溫度應(yīng)力與不考慮溫度應(yīng)力情況的筒倉(cāng)所受到的內(nèi)力。

1 筒倉(cāng)概況

本工程以某貯煤筒倉(cāng)為例，剖面圖如圖1所示。該筒倉(cāng)直徑100 m，高17.6 m，采用鋼筋混凝土圓形倉(cāng)壁，倉(cāng)壁后面每隔10°設(shè)置一個(gè)扶壁柱，上部結(jié)構(gòu)采用球面雙層空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，屬于巨型筒倉(cāng)。倉(cāng)壁基礎(chǔ)為環(huán)形條狀基礎(chǔ)，寬7 m，基礎(chǔ)埋深3 m，基礎(chǔ)下面采用鉆孔灌注樁樁基，樁直徑為0.8 m，樁沿環(huán)向間隔3°，沿徑向設(shè)置3排，鉆孔灌注樁總共375根。倉(cāng)壁厚600 mm，基礎(chǔ)承臺(tái)、倉(cāng)壁及上部環(huán)梁采用C40混凝土，基礎(chǔ)墊層采用C15混凝土，鋼筋采用HPB300級(jí)鋼筋與HRB335級(jí)鋼筋。

圖1 貯煤筒倉(cāng)剖面圖

2 筒倉(cāng)有限元模型

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

煤的重力密度為8.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ為25°～40°，與混凝土倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)為0.5～0.6，最大堆煤高為28 m；倉(cāng)壁、扶壁柱、環(huán)梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，彈性模量3.25×104N/mm2，泊松比為0.167，混凝土的線膨脹系數(shù)為1×10-5mm/℃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·℃)；鋼筋的彈性模量Es=2×105N/mm2，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5mm/℃，導(dǎo)熱系數(shù)為50 W/(m·℃)。

2.2 荷載

該倉(cāng)的直徑為100 m，高度為17.6 m，倉(cāng)壁厚600 mm，計(jì)算高徑比為：17/50 =0.34<1.5，因此應(yīng)按淺倉(cāng)公式進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 貯煤側(cè)壓力

將倉(cāng)壁沿高度等分為16份，每份1 m。圓形料倉(cāng)在貯料水平側(cè)壓力作用下，倉(cāng)壁單位面積上的壓力Ph(kPa)按線性分布。

2.2.2 溫度荷載

溫度載荷是料倉(cāng)的主要荷載之一，對(duì)貯料倉(cāng)壁的縱向裂縫、配筋產(chǎn)生的影響較大，而季節(jié)溫差也是溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因之一[2]，因此，應(yīng)對(duì)季節(jié)溫升溫降引起的溫度應(yīng)力及其對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的受力影響進(jìn)行研究。本文主要考慮整體溫升、整體溫降作用下的倉(cāng)壁應(yīng)力和位移變化規(guī)律。根據(jù)本工程貯煤筒倉(cāng)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料及施工中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取參考溫度15 ℃，對(duì)筒倉(cāng)在夏季溫升、冬季溫降作用下的靜力有限元分析時(shí)，地面以上部分分別取最高溫40 ℃，最低溫10 ℃；對(duì)地面以下部分，夏季時(shí)取承臺(tái)上表面的溫度為35 ℃，下表面的溫度為20 ℃；冬季則分別取10 ℃、15 ℃。

2.3 工況

1)工況1：空倉(cāng)(倉(cāng)壁自重+網(wǎng)架豎向壓力)；

2)工況2：滿倉(cāng)(貯料側(cè)壓力+倉(cāng)壁自重+網(wǎng)架豎向壓力)；

3)工況3：滿倉(cāng)+夏季溫升(貯料側(cè)壓力+倉(cāng)壁自重+網(wǎng)架豎向壓力+夏季溫升)；

4)工況4：滿倉(cāng)+冬季溫降(貯料側(cè)壓力+倉(cāng)壁自重+網(wǎng)架豎向壓力+冬季溫降)。

2.4 網(wǎng)格劃分

由于倉(cāng)內(nèi)結(jié)構(gòu)及所施加的荷載均是對(duì)稱布置，同時(shí)為了減少有限元模型的計(jì)算量，因此只建立10°模型，能夠反映整體筒倉(cāng)的實(shí)際受力情況，坐標(biāo)系關(guān)于扶壁柱中心對(duì)稱，即扶壁柱中心位置為0°，倉(cāng)壁兩側(cè)分別為-5°、5°。為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在環(huán)梁頂部加一個(gè)墊塊，網(wǎng)架豎向力通過(guò)墊塊傳到結(jié)構(gòu)上。模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

圖2 10°模型網(wǎng)格劃分圖

2.5 模型路徑選取

為了對(duì)不同工況下筒倉(cāng)在同一高度處的環(huán)向應(yīng)力受力情況進(jìn)行分析，本文進(jìn)行合理的路徑選取，路徑1、2、3分別是筒倉(cāng)內(nèi)壁底端(2.7 m高度處)、內(nèi)壁中部(8.1 m高度處)、內(nèi)壁頂端(16.1 m高度處)；路徑4、5、6分別是筒倉(cāng)外壁底端、外壁中部、外壁頂端；由于倉(cāng)內(nèi)結(jié)構(gòu)及所施加的荷載均是對(duì)稱布置，因此，這6條路徑比較具有典型性并且分布均勻，能體現(xiàn)倉(cāng)壁在不同區(qū)域的不同特點(diǎn)，路徑選取情況如圖3所示。

圖3 路徑選取示意圖

3 結(jié)果分析

利用ANSYS軟件建立模型，分析筒倉(cāng)分別在工況一(空倉(cāng))、工況二(滿倉(cāng))、工況三(滿倉(cāng)+夏季溫升)、工況四(滿倉(cāng)+夏季溫降)的情況下，在不同路徑處的環(huán)向應(yīng)力值變化情況，從而得出筒倉(cāng)在同一高度處不同工況下的環(huán)向應(yīng)力受力情況，環(huán)向應(yīng)力對(duì)比情況如圖4～5所示。

圖4 沿路徑1環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

圖5 沿路徑4環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

由圖4～5可知，在工況二情況下，沿路徑5(倉(cāng)內(nèi)壁底端)的環(huán)向應(yīng)力值比沿路徑8(倉(cāng)外壁底端)環(huán)向應(yīng)力大，對(duì)于工況三和工況四，從圖上可以看出，曲線較平緩，說(shuō)明靠近扶壁柱一側(cè)的倉(cāng)壁和遠(yuǎn)離扶壁柱的倉(cāng)壁環(huán)向應(yīng)力值變化不大。

沿路徑2、3、5、6各工況下的環(huán)向應(yīng)力對(duì)比曲線分別如圖6～9所示。由圖6和圖8可知，在工況三和工況四情況下，離扶壁柱較近的倉(cāng)壁內(nèi)表面剛開始受到環(huán)向拉壓應(yīng)力大，向兩側(cè)靠近時(shí)應(yīng)力值逐漸減少，最大拉應(yīng)力值為4.18 MPa，這是因?yàn)榉霰谥鶆偠群艽螅泻軓?qiáng)的約束能力；外壁情況則相反，離扶壁柱較近一側(cè)應(yīng)力小，向兩側(cè)靠近時(shí)，應(yīng)力逐漸增大；在工況二情況下沿路徑6的倉(cāng)壁靠近扶壁柱一側(cè)受拉，遠(yuǎn)離一側(cè)受壓，在中間某一部位處于拉壓平衡狀態(tài)，倉(cāng)壁既不受拉也不受壓；倉(cāng)外壁情況則相反。另外，從圖8～9可以看出，靠近倉(cāng)壁頂端，貯料對(duì)倉(cāng)壁的影響很小。

圖6 沿路徑2環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

圖7 沿路徑5環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

圖8 沿路徑3環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探討溫度對(duì)大直徑貯煤筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)性能的影響，得出以下結(jié)論和建議，這對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1)在夏季溫升、冬季溫降作用下，在倉(cāng)壁中部(8.1 m高度處)及倉(cāng)壁頂端(16.1 m高度處)，離扶壁柱較近的倉(cāng)壁內(nèi)表面剛開始受拉力大，向兩側(cè)靠近時(shí)應(yīng)力值逐漸減少，這是因?yàn)榉霰谥鶆偠群艽螅泻軓?qiáng)的約束能力，而外壁情況則相反。

圖9 沿路徑6環(huán)向應(yīng)力對(duì)比

2)夏季溫升作用下，倉(cāng)壁承受環(huán)向壓應(yīng)力；冬季溫降作用下，倉(cāng)壁承受的是環(huán)向拉應(yīng)力。

3)溫度作用下的筒倉(cāng)比貯料側(cè)壓力作用下的筒倉(cāng)受力更大，并且冬季溫降作用下倉(cāng)壁受到的環(huán)向應(yīng)力比夏季溫升作用下的倉(cāng)壁受到的環(huán)向應(yīng)力大，這是因?yàn)樵跍囟茸饔孟碌耐矀}(cāng)，冬季氣溫降低時(shí)，筒倉(cāng)倉(cāng)壁混凝土遇冷收縮，使其相鄰混凝土互相約束，產(chǎn)生更大的環(huán)向應(yīng)力值，因此，溫度對(duì)筒倉(cāng)的影響不容忽視，建議應(yīng)合理考慮筒倉(cāng)的溫度應(yīng)力問(wèn)題，可把環(huán)境溫度對(duì)筒倉(cāng)產(chǎn)生的應(yīng)力有效折算為環(huán)拉力和軸向力，同時(shí)應(yīng)增大對(duì)倉(cāng)壁的環(huán)向配筋。