鋼煤斗有限元分析與計算

郭建華

摘 要：該文采用sap2000對某電廠鍋爐房鋼煤斗進行了建模計算，同時介紹了鋼煤斗的貯料荷載的計算方法，對煤斗壁和加勁肋進行了強度和撓度的校核，提出了工程設計措施。煤斗是發電廠重要的構筑物，一般用于貯煤和卸煤，屬于筒倉類結構。目前，針對煤斗還沒有專門的計算應力和變形的公式，主要采用有限元法進行計算。也沒有專門的設計規范，一般參考《鋼筋混凝土筒倉設計規范》（GB50077-2003）和《鋼筒倉技術規范》（GB50884-2013）。該文就某電廠鍋爐房煤斗的結構設計進行簡要介紹和分析。

關鍵詞：鋼煤斗 sap2000 強度 撓度 有限單元法 表面荷載

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0034-01

1 煤斗貯料荷載分析

煤斗按采用的材料可分為鋼筋混凝土結構和鋼結構，按結構計算方法可分為淺倉和深倉，當倉壁計算高度hn與圓形筒倉內徑或矩形筒倉短邊之比大于等于1.5時為深倉，小于1.5時為淺倉。本例采用鋼結構，屬于矩形淺倉，貯料荷載按淺倉計算。

采用sap2000對煤斗進行建模分析。該煤斗為單斜式矩形鋼煤斗，平面尺寸為5.35 m×4.75 m，立面尺寸為9.6 m高。幾何容積為122 m3。煤斗壁和加勁肋均采用Q235B鋼材。經過反復試算，煤斗壁計算厚度取10 mm，考慮到使用磨損，設計時使用12 mm，水平加勁肋采用不等邊角鋼L125×80×12和L140×12，豎向加勁肋采用100×10鋼板，底板漏斗口采用等邊角鋼L140×14加強。

煤為褐煤，重度取10 kN/m3，內摩擦角φ取30゜，與鋼板的摩擦系數μ取0.3。煤斗的主要受力荷載即為貯料荷載，貯料對煤斗內壁的作用力主要有：煤對豎壁的水平側壓力標準值Phk，豎向壓力標準值Pvk，對斜壁的切向壓力Ptk和對斜壁的法向壓力Pnk。

以上作用力的計算公式如下：

其中γ為煤的重度，s為貯料頂面到計算截面的距離

其中k為煤的側壓力系數，

°

由上述公式可以看出，以上荷載均與s呈線形關系，其中切向壓力Ptk和法向壓力Pnk還和傾角α有關。在sap2000中輸入這種隨尺寸變化的荷載可采用節點樣式。

根據GB50884-2013，對于承載力極限狀態，荷載組合取1.35×自重+1.3×貯料荷載。對于正常使用極限狀態，荷載組合取1.0×自重+1.0×貯料荷載。

2 強度計算結果分析

鋼煤斗的計算分為兩部分：煤斗壁和水平加勁肋。模型中，煤斗壁采用shell單元，重量修正系數取1.2；加勁肋采用frame單元，水平加勁肋間距700 mm，豎向加勁肋間距約500 mm。分析前應在所有殼單元生成邊束縛，以確保煤斗壁和加勁肋協調變形。建模時應注意角鋼的插入點程序默認為形心，應改為角鋼的長肢頂端，否則會使結構撓度偏大。

2.1 煤斗壁應力結果

圖1為煤斗壁的Von-Mises應力云圖。最大應力出現在煤斗底部，根據計算所得結果，最大應力為126 N/mm2。小于設計強度，滿足設計要求。

2.2 水平加勁肋內力結果

加勁肋按拉彎或壓彎構件設計。由于加勁肋和斗壁鋼板牢固焊接，可認為斗壁鋼板可阻止加勁肋受壓翼緣失穩，因此可不計算加勁肋的整體穩定，只做強度驗算。

在1面上，對于角鋼L125×80×12，角鋼和斗壁的組合截面的截面屬性如下：

A=5343 mm2，Ix=18800816.84 mm4，Iy=18899684.46 mm4，Wx1=Ix/dx1=206149mm3，Wx2=Ix/dx2=164630 mm3，Wy1=Iy/dy1=148816 mm3，Wy2=Iy/dy2=273117 mm3。

分別驗算跨中和支座截面，跨中截面最大內力為：Mx=4 kN·m，N=124 kN（拉為正，壓為負），My=0.8 kN·m。My較小，可忽略不計，按單向拉彎構件驗算強度：

=42 MPa

支座截面最大內力為：Mx=-6 kN·m，N=60 kN。強度驗算：

=46 MPa

滿足強度要求。

3 撓度計算結果分析

3.1 煤斗壁撓度結果

經有限元計算，得到煤斗在1.0×自重+1.0×貯料荷載工況下的撓度結果，撓度最大值為5 mm，位移等值線云圖見圖2。

GB50884給出的壁板撓度限值為兩加勁肋間距/100=7 mm，滿足規范要求。若不采用豎向加勁肋，撓度最大值為11.7 mm，可見，豎向加勁肋在控制撓度和減小水平加勁肋內力方面起到很大作用，一般當漏斗高度超過7 m時建議加設豎向加勁肋。

3.2 加勁肋撓度結果

L125×80×12在標準組合下的最大撓度為4.91 mm，其跨度L=4720 mm，滿足規范的撓度限值L/150。也滿足規范要求。

4 結語

鋼煤斗是火力發電廠的一個重要構筑物，該文結合工程實例對鋼煤斗進行了準確的分析計算并對斗壁和加勁肋進行了強度和撓度驗算。有限單元法是一種很好的設計補充手段，它能直觀形象的反映出整個結構各個部位的受力情況，其受力狀態更符合實際受力狀態。以上工作希望能對后續的煤斗設計起到一定的參考作用。

參考文獻

[1] GB50884-2013鋼筒倉技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] GB50077-2003鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

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