多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁整體有限元結構分析

陳 輝

CHEN Hui

(浙江省電力設計院，浙江 杭州310012)

煤斗［1］是火力發電廠供煤系統中的一個重要構筑物，通常為方形、圓形或上方下圓等規則對稱的形式，但是隨著工藝要求越來越復雜多變以及框架結構梁柱布置的限制，異型鋼煤斗越來越多。相比于對稱規則的鋼煤斗，異型鋼煤斗的受力更為復雜，因此對煤斗采用有限元計算已非常普遍，但絕大部分設計均假定煤斗支座為三向鉸接，并沒有將混凝土支撐梁整體建入模型，同時未考慮煤斗支座位移差的影響［2-9］。

本文結合浙江浙能六橫電廠的鋼煤斗，通過應用有限元軟件ANSYS 進行鋼煤斗與混凝土支撐梁的空間整體分析，對計算模型進行修改和試算，確定加勁肋的位置和大小，確定煤斗支座應力，計算混凝土支撐梁的內力和配筋，以此來保證結構應力和變形符合規范要求。

1 鋼煤斗結構型式

浙江浙能六橫電廠轉運站考慮一期、二期卸煤問題，在轉運站中設置了一個煤斗作為中轉。煤斗為一分四結構，即煤斗具有4 個漏斗。煤斗外型見圖1。煤斗上部為10.8 m ×12 m 矩形鋼煤斗，下部變成為4 個3.168 m ×3.168 m 的漏斗。整個煤斗擱置在中間的混凝土框架上。煤斗支座和縱、橫向加勁肋采用型鋼，煤斗壁厚10 mm，均為Q235B。煤斗的容積為1 078 m3。從煤斗的外形可以看出，該煤斗具有以下特點:

(1)根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范(GB 50077—2003)》［10］，該煤斗筒倉屬于淺倉;

(2)漏斗掛在混凝土梁的斜面上，所以混凝土梁的截面形狀為不規則;

(3)漏斗掛點與混凝土梁埋件相連，為保證斗壁受拉，節點處增加局部加勁肋。

2 計算模型的建立

2.1 模型的建立

結構模型包括煤斗壁、加勁肋和混凝土梁。

在有限元建模［11］時，采用混合法模擬實際結構。即用板殼單元shell63 模擬煤斗壁，用beam188單元模擬加勁肋，用solid45 來模擬混凝土梁。ANSYS模型見圖2。

圖1 煤斗整體結構圖

圖2 ANSYS 煤斗模型

2.2 參數設置

鋼材的彈性模量為2.06 ×105MPa，泊松比為0.3，密度為78 kN/m3。混凝土的彈性模量為3 ×104MPa，泊松比0. 2，材料密度25 kN/m3［12-13］。Shell63 單元厚度10 mm。

2.3 邊界條件

實際結構中，鋼煤斗支撐在混凝土梁上，混凝土梁部分鉸接于混凝土框架梁上，部分剛接于框架柱上。在ANSYS 模型中在混凝土梁端設置一塊鋼板，用于施加鉸接約束和固定約束［14-16］。

2.4 加載

根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范(GB 50077—2003)》進行荷載計算，煤的重力密度為γ =10 kN/m3，內摩擦角φ=38°。筒倉壓力計算簡圖見圖3。

(1)貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s(m)處，作用在斗壁單位面積上的水平壓力為

ph=kγs，k=tan2(45° -φ/2) (1)

(2)貯料頂面或貯料錐體重心以下距離s(m)處，作用在煤斗壁單位面積上的豎向壓力為

(3)漏斗壁的切向壓力應按下式計算:

(4)漏斗壁的法向壓力應按下式計算:

圖3 貯料壓力分布簡圖

各漏斗壁的法向荷載施加在ANSYS 中通過參數化設計語言，并編寫函數來施加漏斗壁切向荷載。

3 計算結果與結果分析

3.1 計算結果

由于建模時在框架梁端部采用鋼板模擬支座，因此支座處會產生應力集中。根據圣維南原理，支座處集中應力可以不予考慮。經過不斷試算，煤斗的應力圖、位移圖見圖4，煤斗壁最大應力為143.164 MPa，煤斗壁板最大位移為12.523 mm。

計算得到框架梁的支座反力。支座編號見圖5，具體數值大小見表1。

3.2 計算分析

從結果分析:

(1)鋼煤斗的最大位移滿足規范要求，12.523 mm ＜a/150 =26.7 mm。

(2)從應力分布來說，除去支座處產生的應力集中以外，煤斗應力均小于Q235 鋼材的強度設計值215 MPa。支座處的應力集中可以通過增加加勁肋解決。

(3)支座反力誤差分析:

煤的重量1 078 m3×10 kN/m3=10 780 kN;

鋼煤斗重量9.8 m3×78 kN/m3=764.4 kN;

混凝土框架梁重量85. 8m3× 25kN/m3=2 145 kN;

實際總重:13 689.4 kN。

誤差率=(13 689.4 -13 594.4)÷13 594.4 ×100% =0.7%

從結果得出支座反力誤差較小，符合實際情況，計算結果是可靠的。

(4)根據支座處的反力，可以計算混凝土框架梁配筋。

圖4 煤斗計算結果

圖5 支座分布及編號

表1 ANSYS 支座反力的計算結果

3.3 與其他建模方法的計算結果比較

為確保ANSYS 計算的結果正確，采用PKPM軟件將煤斗本體作為荷載輸入，建立混凝土框架梁整體空間模型，得到支座處的反力見表2。將表2 和表1 中的支座反力進行對比，發現混凝土梁剪力的誤差均在10%以內，而彎矩的誤差相對來說要大一點，特別是9 號節點，差距最大。這是因為在ANSYS模型中，將此處實際的混凝土框架柱模擬成一個剛接節點，和實際情況相差較大，所以這個誤差也是可以被接受的。因此認為ANSYS 的模擬是正確的。

表2 PKPM 支座反力的計算結果

3.4 節點優化設計

多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁協同工作，上半部分鋼煤斗支撐在混凝土梁頂面，鋼漏斗部分與混凝土斜面上的埋件焊接。同時為解決鋼煤斗支座處的集中力問題，設置局部加勁肋，并且同時考慮了施工安裝的可行性和方便性。具體節點詳圖見圖6。

圖6 節點詳圖

4 結 語

本文通過對結構進行有限元分析，可以得到以下結論:

(1)通過有限元方法對多漏斗型鋼煤斗與混凝土支撐梁進行整體空間分析，可以得到應力集中位置、應力大小和混凝土梁的計算內力。同時將結果和實際的荷載重量以及PKPM 中得出的結果進行比較，證明計算結果真實可靠。

(2)鋼煤斗的加勁肋處、鋼煤斗與混凝土支撐梁的連接節點處會出現應力集中及鋼結構應力偏大，混凝土則容易形成裂縫，因此在此處增加加勁肋加以解決，并需嚴格控制焊縫質量。同時，由于混凝土支撐梁為上小下大的不規則形狀，鋼筋密集，而且還有埋件，所以此處混凝土施工質量必須嚴格加以控制，以便保證混凝土支撐梁和整體結構的安全。

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