某鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化

徐 欣 吳曉龍

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043)

1 概述

鋼筒倉為常用的貯料結(jié)構(gòu)，在冶金、煤炭、化工、石化行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其平面形狀一般為圓形或矩形，采用上部裝料、底部卸料的方式，貯存的物料為固體散料[1]。相對于混凝土筒倉，鋼筒倉具有自重輕、對基礎(chǔ)要求低、周期短、占地面積小、勞力省、成本低等特點。同時，鋼筒倉的施工基本不受季節(jié)、天氣等因素影響，并且在一定使用年限后可對鋼結(jié)構(gòu)進行回收利用，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計，與同容量鋼筋混凝土筒倉相比較，鋼筒倉的鋼材用量與其混凝土筒倉鋼筋用量幾乎相當，而且水泥用量較??；混凝土筒倉因自重和高度對其基礎(chǔ)費用較高，總投資約高出15%。因此鋼筒倉在我國冶金行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文結(jié)合GB 50084—2013鋼筒倉技術(shù)規(guī)范[2]，采用通用有限元軟件MIDAS GEN對某鋼筒倉進行有限元分析與設(shè)計，首先，按照規(guī)范要求施加荷載，分析其在受力狀態(tài)下的整體力學(xué)特性，計算倉壁及漏斗的等效應(yīng)力(Von-Mises應(yīng)力)，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[3]中鋼材強度設(shè)計值進行對比。其次，對關(guān)鍵節(jié)點進行更為細致的網(wǎng)格劃分，調(diào)整鋼板厚度，根據(jù)等效應(yīng)力小于鋼材強度設(shè)計值的原則，完成筒倉細部節(jié)點設(shè)計。

2 鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 項目簡介

河北某原料系統(tǒng)鋼筒倉，裝滿時容量約為580 m3，所盛物料容重為20 kN/m3，內(nèi)摩擦角為30°，物料與倉壁的摩擦系數(shù)取0.3。其中，倉壁直徑為7.5 m，高度為10.86 m，下部漏斗上端直徑為7.5 m，下端直徑為0.8 m，高度為7.1 m，支座位于倉壁上部，共4處，沿圓周每90°設(shè)置，并且支承于混凝土八卦梁上部，混凝土梁與支座之間安裝工藝稱量壓頭。倉頂沿倉壁外側(cè)設(shè)置頂部環(huán)梁，采用不等邊角鋼140×90×10，倉頂平面鋼梁端部接于環(huán)梁處，其中最大鋼梁采用槽鋼20a，跨度7 435 mm，其余鋼梁采用槽鋼12.6。倉頂采用6厚平鋼板間斷焊接于鋼梁上部。筒倉結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，倉壁及漏斗變壁厚處采用剖口焊接，保持倉壁外側(cè)平面平齊，其結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。

2.2 荷載作用

該鋼筒倉倉壁高度與直徑之比小于1.5，其貯料壓力荷載按照淺倉計算，其計算詳見《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》4.2.7條規(guī)定[2]。倉頂平面設(shè)有卸料口，倉上部設(shè)有混凝土框架梁和樓板(與倉頂平面不接觸)，卸料設(shè)備座于混凝土樓板上方，因此倉頂平面按不上人屋面計算。由于鋼筒倉結(jié)構(gòu)位于室內(nèi)，因此不考慮風荷載的影響。此外，施工時要求結(jié)構(gòu)合攏溫度為(15±5)℃，考慮±25 ℃的溫差作用，并按照規(guī)范進行荷載組合。

2.3 有限元分析計算

根據(jù)實際情況建立鋼筒倉結(jié)構(gòu)整體有限元模型，并按要求輸入上述荷載及邊界條件，如圖2所示。為節(jié)約鋼材量，倉壁及漏斗在沿高度方向，根據(jù)應(yīng)力大小情況，采用不同的板厚，通過不斷的調(diào)整板厚，結(jié)構(gòu)最終計算結(jié)果如圖3所示。筒倉倉壁及漏斗各部位厚度及最大應(yīng)力列于表1。除倉壁與漏斗交接處(詳見3.2節(jié)計算)鋼板應(yīng)力比超限以外，其余板件強度均滿足規(guī)范要求。

本項目中支座位于倉壁中上部，由于物料存在內(nèi)摩擦角，散料一般呈圓錐狀堆積，倉壁(支座上部)環(huán)向壓力較小，而倉頂又為不上人屋面，徑向壓力也比較小，因此可以選擇較小的壁厚；此外，在物料自重及側(cè)向壓力作用下，其余倉壁及筒壁處于環(huán)向受拉、徑向雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，因此無需對板件進行穩(wěn)定性計算。

表1 倉壁及漏斗各部位最大應(yīng)力表

倉頂設(shè)置的頂部環(huán)梁及平面鋼梁，其最大應(yīng)力為53 MPa，主要為撓度控制，計算滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》[2]，受彎構(gòu)件撓度容許值為計算跨度L的1/100,L為兩加勁肋間距。文中由于未設(shè)置加勁肋，根據(jù)有限元分析結(jié)果，倉壁最大面外撓度為8.8 mm，倉壁跨度為6.3 m，撓跨比為1/716<1/100。漏斗最大面外撓度為2.1 mm，漏斗局部跨度為0.53 m，撓跨比為1/252<1/100。因此結(jié)構(gòu)剛度也滿足規(guī)范要求。

3 鋼筒倉結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

3.1 支座節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的筒倉支座節(jié)點加勁肋設(shè)置較密集，板厚較厚，不易施工且耗費鋼材量，本文對鋼筒倉支座節(jié)點進行優(yōu)化，其剖面如圖4所示。上、下環(huán)板與倉壁垂直連接，并沿圓周設(shè)置。支座加勁肋設(shè)置于上、下環(huán)板之間，根據(jù)稱量壓頭的寬度，設(shè)置3道。加勁板1與上環(huán)板端部垂直連接，并沿圓周設(shè)置。加勁板2垂直設(shè)置于下環(huán)板上方，端部與支座加勁肋連接，僅在支座處局部設(shè)置。此外，上、下環(huán)板之間每間隔7.5°設(shè)置一道加勁板3，防止上、下環(huán)板面外失穩(wěn)。圖中除支座加勁肋采用Q345B外，其余板件均采用Q235B鋼材，板件之間均采用剖口焊縫或角焊縫連接。

通過調(diào)整板厚，支座節(jié)點應(yīng)力如圖5所示，各板件最大應(yīng)力列于表2，均滿足強度要求。事實上，支座處下環(huán)板通過一塊厚鋼板(50 mm)擱置于稱量壓頭之上，其支座反力直接傳至支座加勁肋，由于受力不均勻，下環(huán)板平面內(nèi)位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致支座加勁肋底部產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，根據(jù)有限元計算結(jié)果，該局部壓應(yīng)力為318.8 MPa，小于鋼材端部承壓強度設(shè)計值fce=400 MPa，亦滿足規(guī)范要求。

3.2 倉壁與漏斗交接處節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》第5.4.2節(jié)要求[2]，圓錐漏斗頂部與倉壁交接處應(yīng)設(shè)置環(huán)梁，并滿足一定的要求。項目中對該節(jié)點進行優(yōu)化，在交接處一定高度范圍內(nèi)，增加接連處倉壁與漏斗的厚度，并將加勁肋(每7.5°沿圓周)設(shè)置在倉壁與漏斗之間，由于加勁肋側(cè)面與漏斗外側(cè)無法焊接，應(yīng)刨平頂緊，最后在底部設(shè)置環(huán)梁進行封堵，其節(jié)點構(gòu)造如圖6所示。

表2 支座處各板件最大應(yīng)力表

根據(jù)有限元分析結(jié)果，倉壁與漏斗交接處應(yīng)力如圖7所示，倉壁有效應(yīng)力最大值為208.6 MPa。其中環(huán)向拉力(1 663.0 kN/m)產(chǎn)生的拉應(yīng)力為83.2 MPa，徑向拉力(702.1 kN/m)產(chǎn)生的拉應(yīng)力為35.1 MPa。但是，這兩種內(nèi)力所產(chǎn)生的應(yīng)力并不是很大，因此導(dǎo)致有效應(yīng)力較大的原因是物料對倉壁及漏斗的側(cè)壓力使得板件產(chǎn)生繞接縫處的平面外彎矩(10.7 kN·m/m)，由于板厚平面外的慣性矩極小，該彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力為160.5 MPa，組合后導(dǎo)致有效應(yīng)力的增大。實際上由于倉壁與漏斗連接處采用剖口焊縫，焊縫本身具有一定的厚度，因此在連接處，實際計算彎曲正應(yīng)力的厚度應(yīng)為倉壁與焊縫厚度之和，而在進行有限元分析時，無法考慮這一有利作用的影響，因此該處略超過205 MPa也是符合規(guī)范要求的。

4 結(jié)論

本文對某鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元分析以及節(jié)點優(yōu)化設(shè)計，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)實際情況建立鋼筒倉有限元模型，能夠直觀的反映板件的受力狀態(tài)，便于工程師開展設(shè)計工作。

2)在滿足規(guī)范要求的前提下，通過合理的調(diào)整板厚，提高鋼材利用率，從而達到節(jié)省鋼材的目的。

3)對倉壁與漏斗交接處以及支座節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計，使得各板件受力明確，易于結(jié)構(gòu)施工。