火力發(fā)電廠干灰?guī)鞙囟葢?yīng)力的有限元分析

郭 躍 （安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

0 前 言

鋼筋混凝土灰?guī)焱矀}(cāng)是電廠中用來(lái)儲(chǔ)存灰料的建筑，近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的迅速發(fā)展以及工程需求的增加，灰?guī)斓闹睆胶透叨榷驾^以往有了明顯增大，勢(shì)必隨之產(chǎn)生新的課題，其中筒倉(cāng)壁的溫度應(yīng)力問(wèn)題較為突出，國(guó)內(nèi)外都出現(xiàn)過(guò)大量筒倉(cāng)因未充分考慮溫度應(yīng)力的影響而造成倉(cāng)體破裂的事故。特別是很多灰?guī)焱矀}(cāng)都處于氣候比較惡劣的地區(qū)，季節(jié)溫差作用都比較明顯，同時(shí)貯料引起的倉(cāng)壁內(nèi)外溫差也相當(dāng)大。因此，對(duì)大直徑灰?guī)焱矀}(cāng)貯料的溫度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)貯料靜力荷載進(jìn)行耦合分析并深入研究是十分必要的。

1 有限元模型

本文針對(duì)某2×600MW 級(jí)別火力發(fā)電廠的灰?guī)爝M(jìn)行仿真計(jì)算分析，采用了mpc多點(diǎn)約束、表面接觸單元surf154傳遞荷載、熱-應(yīng)力耦合計(jì)算等技術(shù)，在熱分析中建立完整的庫(kù)壁有限元模型，然后再在結(jié)構(gòu)分析中建立頂板及庫(kù)頂框架梁。建模時(shí)將模型分成三大部分（即庫(kù)壁及底板、頂板、頂部框架梁）分別建模，再利用ANSYS的裝配技術(shù)mpc多點(diǎn)約束將這三部分裝配起來(lái)，相交的地方采用約束方程的方式連接，最后形成整個(gè)模型。模型使用的單元主要有：實(shí)體單元solid70、殼單元shell63、梁?jiǎn)卧猙eam188、接觸表面單元surf154、單元conta175、單元targe170。具體模型見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算工況及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算工況

圖1 灰?guī)炷Ｐ推拭鎴D

圖2 工況1庫(kù)壁溫度場(chǎng)圖

圖3 工況7下環(huán)向應(yīng)力云圖

圖4 、圖5工況1、工況2下節(jié)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力隨溫差變化關(guān)系圖

圖6 、圖7工況6、工況7下節(jié)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力隨倉(cāng)壁厚度變化的關(guān)系圖

考慮具體測(cè)量數(shù)據(jù)、工藝提供資料和工程實(shí)地氣象資料，設(shè)定如下的熱分析情況：①當(dāng)倉(cāng)壁厚度為0.3m時(shí)，分析有無(wú)保溫層內(nèi)外溫差為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃時(shí)對(duì)倉(cāng)壁環(huán)向應(yīng)力的影響；②當(dāng)倉(cāng)壁內(nèi)外溫差為20℃及100℃（極端情況）時(shí)，分別分析壁厚值為0.3m、0.4m、0.5m、0.6m和0.7m這五種情況對(duì)倉(cāng)壁環(huán)向應(yīng)力的影響；③理想狀態(tài)下貯灰荷載靜力有限元分析和熱-應(yīng)力耦合分析中有無(wú)保溫層對(duì)比分析，即在灰?guī)焱矀}(cāng)熱分析的過(guò)程中分為7個(gè)工況分別進(jìn)行討論。為了使得分析情況明了，將工況情況列表見(jiàn)表1。

同時(shí)為了增加計(jì)算結(jié)果的精確和概括性，分析中選取了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1、3、5、7點(diǎn)分別位于倉(cāng)壁底部、1/3高度、2/3高度、頂部的外壁，測(cè)點(diǎn)2、4、6、8點(diǎn)分別位于倉(cāng)壁底部、1/3高度、2/3高度、頂部的內(nèi)壁。

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)熱分析并結(jié)合灰?guī)靸?nèi)壁貯灰荷載，得出灰?guī)鞙囟葓?chǎng)及環(huán)向應(yīng)力云圖如下。

對(duì)計(jì)算結(jié)果采用圖表方式對(duì)比分析見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4、圖5可以看出，在保溫層作用下工況2庫(kù)體內(nèi)、外壁環(huán)向溫度應(yīng)力顯著低于未設(shè)保溫層的工況1，在不設(shè)保溫層工況1下，庫(kù)體外壁最大環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到9.44MPa，庫(kù)體內(nèi)壁最大環(huán)向壓應(yīng)力-7.54MPa，而增設(shè)保溫層后的工況2下，庫(kù)體外壁最大拉應(yīng)力減小至3.43MPa，庫(kù)體內(nèi)壁最大環(huán)向壓應(yīng)力減小至-4.79MPa。

由圖6、圖7可知，在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中，筒倉(cāng)底部外壁本受壓應(yīng)力，隨著溫度的增加，在溫度應(yīng)力影響下，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并持續(xù)增大；筒倉(cāng)中部?jī)?nèi)壁本受拉應(yīng)力，隨溫度作用的增大，其逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并持續(xù)增大；筒倉(cāng)其余外壁受拉應(yīng)力的均隨溫度增大而增大；筒倉(cāng)其余內(nèi)壁受壓應(yīng)力的也隨溫度增大而增大。可見(jiàn)保溫層顯著改善筒倉(cāng)內(nèi)外壁受力性能。

3 計(jì)算結(jié)果與規(guī)范對(duì)比

我國(guó)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50077-2003）中，在第4章4.1.1條中注明：無(wú)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度作用按永久荷載計(jì)算，直徑21m～30m的筒倉(cāng)可按其最大環(huán)向拉力的6%計(jì)算，直徑大于30m的筒倉(cāng)可按8%計(jì)算。但是現(xiàn)今大量大直徑筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力研究結(jié)果表明，溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用，往往遠(yuǎn)大于貯料側(cè)壓力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用。表2為有限元計(jì)算結(jié)果與按規(guī)范要求8%計(jì)結(jié)果對(duì)比。

由表2可知，隨著內(nèi)外壁溫差的持續(xù)增加，內(nèi)外壁的溫度應(yīng)力遠(yuǎn)大于規(guī)范所假定的8%標(biāo)準(zhǔn)。主要原因在于規(guī)范規(guī)定的是溫度效應(yīng)造成的環(huán)向拉力，而上表對(duì)比的是庫(kù)壁環(huán)向應(yīng)力，隨后通過(guò)midas計(jì)算，對(duì)環(huán)向拉力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)倉(cāng)壁內(nèi)外溫差為20℃時(shí)，溫度效應(yīng)引起的最大環(huán)向拉力為120kN/m，而有灰體側(cè)壓力引起的最大環(huán)向拉力為1126kN/m,比例為11%，略大于規(guī)范規(guī)定。由此可知，溫度效應(yīng)對(duì)于筒倉(cāng)的環(huán)向拉力影響有限，而由于分別增大了外壁拉應(yīng)力和內(nèi)部壓應(yīng)力，故而對(duì)于筒倉(cāng)的環(huán)向平面內(nèi)負(fù)彎矩影響較大，而這是規(guī)范沒(méi)有說(shuō)明的。

灰?guī)焱矀}(cāng)分析工況列表 表1

溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與規(guī)范對(duì)比（單位：MPa） 表2

4 結(jié) 論

①通過(guò)對(duì)各工況有限元分析得出的環(huán)向應(yīng)力值變化關(guān)系可以看出，整個(gè)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在距筒倉(cāng)底部至1/3高度處以及庫(kù)頂與環(huán)梁連接處，主要是由于該區(qū)域底板及頂板環(huán)梁剛度較大，對(duì)于筒壁的變形約束強(qiáng)，從而導(dǎo)致該處溫度應(yīng)力較大，該結(jié)果與實(shí)際工程中筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫的區(qū)域吻合較好，說(shuō)明用有限元軟件Ansys對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度分析和靜力分析的結(jié)果是可靠的，在今后設(shè)計(jì)中，可在筒壁與底板局部交接處適當(dāng)增大壁厚，將該局部區(qū)域設(shè)定為變截面。對(duì)于環(huán)向應(yīng)力值和位移值相對(duì)較大的區(qū)域，可以采取增加環(huán)向配筋抵抗應(yīng)力等措施確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

②筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外溫差時(shí)，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的整體變形特征為筒倉(cāng)庫(kù)壁向外傾斜，內(nèi)側(cè)面受壓，倉(cāng)壁外側(cè)面普遍受拉，而之前工程設(shè)計(jì)中普遍采用內(nèi)壁與外壁環(huán)向鋼筋面積一致的做法，這在抵抗實(shí)際存在的溫度應(yīng)力時(shí)欠妥，今后設(shè)計(jì)中，可相應(yīng)增加外壁受拉區(qū)配筋，適當(dāng)減少內(nèi)壁受壓區(qū)配筋，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)布置更加合理，提高倉(cāng)壁的抗裂性能。

③當(dāng)灰?guī)靸?nèi)外壁溫差20℃時(shí)，引起的溫度環(huán)向拉力約占最大環(huán)向拉力11%左右，略大于《筒倉(cāng)規(guī)范》中6%～8%最大環(huán)向拉力的規(guī)定，但是其引起的內(nèi)、外壁環(huán)向壓、拉應(yīng)力卻遠(yuǎn)大于8%，這樣就說(shuō)明溫度效應(yīng)對(duì)于倉(cāng)壁環(huán)向平面內(nèi)負(fù)彎矩影響作用較大，從而對(duì)配筋影響較大，同時(shí)在氣候惡劣地區(qū)，庫(kù)壁內(nèi)外溫差較大，按照規(guī)范6%～8%估算溫度效應(yīng)較不安全，應(yīng)建模分析。

④在灰?guī)焱獗谑褂帽夭牧虾螅行У亟档土藴囟茸饔茫捎诒貙淤M(fèi)用較高、耐久性一般，當(dāng)灰?guī)旃こ趟幍貐^(qū)氣候環(huán)境較好，內(nèi)外壁溫差不超過(guò)40℃時(shí)，宜采用增大外壁配筋的方式代替設(shè)置保溫層，而在北方等極寒冷地區(qū),是否采用保溫層，可根據(jù)本文分析方法，經(jīng)過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算后確定。

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