漏斗狀泥砂分離罐體有限元受力分析

高瑞琪， 張 倩， 徐 皓， 田卜元

（中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451）

泥砂分離罐體是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)常見的結構形式，由多個鋼結構構件焊接組合而成，在保證自身穩(wěn)定性的基礎上，還應承受加工過程中材料和器械對罐體的沖擊荷載。目前，對鋼結構罐體的設計分析較少，大多基于標準化圖集，特別是對實體單元的有限元分析幾乎沒有。本文根據(jù)具體工程實例，建立有限元梁板單元模型，對泥砂分離罐體受力進行分析驗算，相關分析過程及結果可用于指導類似鋼結構罐體設計施工。

1 工程概況

深圳市吉華醫(yī)院項目引入泥砂分離技術對外運土方進行泥砂分離處理。

泥砂分離系統(tǒng)設置2 個泥砂分離罐，2 個罐體緊鄰布置。罐體為上部圓柱、下部圓錐的漏斗形；底部設有鋼管支撐，鋼管通過預埋鋼管與基礎相連；鋼管間連接槽鋼作為水平、斜向支撐。罐體的各部分焊接。泥水分離罐體總高度15 m，外徑9.55 m；上部圓柱為8 mm 厚鋼板，高度6 m；下部圓錐為10 mm 厚鋼板，高度5 m；底部由14根壁厚11 mm、直徑375 mm 的鋼管支撐；鋼管間水平支撐為16#槽鋼，斜向支撐為12#槽鋼。見圖1。

圖1 泥砂分離罐體結構

2 模型建立

罐體上部圓柱和下部圓錐采用板單元進行模擬（Shell），底部支撐鋼管、水平和斜向支撐槽鋼采用梁單元（Beam）進行模擬。按網(wǎng)格尺寸500 mm×500 mm，共劃分1 220 個板單元、760 個梁單元。見圖2 和表1[1]。

表1 罐體模型材料參數(shù)

圖2 泥砂分離罐體有限元模型計算單元及網(wǎng)格劃分

罐體支撐鋼管通過預埋鋼管與基礎相連，因此將罐體模型的支柱下端進行約束，U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0[2]。

3 驗算荷載及工況

泥砂分離罐體的荷載包括自重、泥漿荷載和風荷載。罐體自重自動加載；內(nèi)部設備質(zhì)量5 000 kg，以質(zhì)量點形式施加在模型上；罐體設計容積為555.5 m3，泥漿密度取1 100 kg/m3，罐體泥漿質(zhì)量為611 007.5 kg，罐體泥漿的重心坐標為（0，0，10.234），以質(zhì)量點形式施加在模型上[3]，見圖3。

圖3 罐體泥漿及內(nèi)部設備質(zhì)量施加

罐體風荷載按現(xiàn)行規(guī)范[4]進行計算，設計要求抗8級風，計算風荷載

式中：P——風荷載；

f——地形、地理條件系數(shù)，取0.611；

Vk——風速，取21 m/s；

Ch——體型系數(shù)，取1；

Cs——風壓高度變化系數(shù)，當受風中心至水面的垂直距離＜15 m時，取1.5。

風荷載作用見圖4。

圖4 風荷載作用

慣性力取重力加速度，即（0，0，g），g為9.8 m/s2。

對荷載條件進行工況組合，工況1 按承載能力極限狀態(tài)采用基本組合，工況2 按正常使用極限狀態(tài)采用標準組合[5]。

4 計算結果

對2 種工況下有限元計算模型結果進行分析，工況1 下最大應力點位于罐體下部圓錐部分支撐鋼管處，為52 MPa；工況2 下最大位移點位于罐體上部和外圍支撐鋼管處，為1.4 mm。見圖5和圖6。對結構各單元的強度和結構受壓桿件進行校核，罐體結 構強度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。見表1和表2。

圖5 應力

圖6 位移

表1 罐體結構強度MPa

表2 受壓桿件屈曲

5 結論

利用有限元計算軟件對罐體結構進行驗算，泥砂分離罐體結構強度和剛度均滿足使用要求，在工程實踐中泥砂分離罐體使用效果良好，完成了設計功能。

本文通過軟件對大型高聳罐體結構進行了分析計算，為施工安全和泥砂分離系統(tǒng)正常運轉提供了保障，實踐表明本文計算結果是安全可靠的，可為工程常見的大型水泥罐和儲水罐等設計提供參考。