大型貯煤筒倉整體結構水平位移的有限元分析

楊振甲　姜哲　楊霜

（中國水電基礎局有限公司，天津　301700）

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大型貯煤筒倉整體結構水平位移的有限元分析

楊振甲姜哲楊霜

（中國水電基礎局有限公司，天津301700）

摘要：以國電霍州發電廠為例，運用ANSYS軟件建立模型，設定了邊界條件及計算范圍，分析了貯煤筒倉整體結構的筒倉壁、樁體的水平位移，并得出了模擬結果，為實際工程的設計提供了參考資料。

關鍵詞：貯煤筒倉，整體結構，筒倉壁，樁體，水平位移

0　引言

隨著經濟的發展，生活變得便利，電力能源的供給量逐漸增大。電力能源的獲取方式包括火力發電、水利發電、風能發電及核發電等。隨著電力環保要求的提高，火力發電市場逐漸減少，但在資源貧乏的地區，依然是主要的供電方式。為了降低煤炭價格上漲和滿足嚴格的環保要求，大型貯煤筒倉較中、小型筒倉更具有優勢。本文以國電霍州發電廠的大型貯煤筒倉為例，對其整體結構進行水平位移分析。

1　工程概況

國電霍州發電廠位于山西省臨汾地區北部的霍州市。貯煤筒倉作為發電廠重要組成部分，其直徑120 m，高20 m，為整體式淺倉。筒倉結構參數見表1。

表1　筒倉結構參數表

圖1為貯煤筒倉的有限元分析模型。

圖1　貯煤筒倉的有限元分析模型

2　模型建立

該工程運用ANSYS軟件建立模型。模型中所用單元、材料參數如表2所示。

3　計算范圍和邊界條件

1）周圍土體對管樁及旋噴樁具有一定的約束作用，因此，模型需考慮模擬土體范圍對管樁、旋噴樁的影響。擬定范圍為：筒倉壁內側取土體40 m，筒倉壁外側取土體30 m，土體厚度假設為50 m。假設筒倉外側和底部的土體均視為ux= uy= uz=0的三向約束；筒倉內側土體為兩向約束，即ux= uy=0［1］。

2）本模型筒倉所受到的外部荷載包括：a.貯煤的豎向壓力；b.貯煤的水平壓力。按照Rankine方法選取外力值，豎向壓力：

其中，γ為貯煤的重度，取γ=13 kN/m3；h為貯煤頂部到計算截面的高度，假定h =20 m。

水平側壓力：Ph= K×γ×h。

其中，K為貯煤的側向壓力系數，其值K =0. 45；h =19 m。

表2　模型參數

3）為簡化模型，計算條件做以下假設：a.不考慮材料的非線性帶來的影響，將混凝土和土體均視為彈性體。b.考慮管樁和土體的共同工作，但不考慮樁與土體之間的相對位移的變化。

4　筒倉水平位移分析

利用有限元軟件分析，得到筒倉壁、樁體水平位移的模擬結果。

1）筒倉壁的位移分析。

圖2為筒倉壁的位移分析圖，由圖2可以看出，由于門洞位置剛度小，受到貯煤的水平壓力，導致位移變化較大。筒倉壁整體受力具有幾何對稱性，位移變化較均勻。結合筒壁某一截面的水平位移（見圖3），筒倉頂部受到環梁約束，底部與承臺剛性連接，其水平位移呈“鼓狀”。又由于筒倉承臺受到貯煤豎向壓力，承臺出現傾斜，故筒倉壁底部的水平位移呈現出向相反方向傾斜。

2）樁的位移分析。

由圖4，圖5得出：樁體的水平位移與土體性質有密切的關系。模型中不同土層土體的彈性模量變化較均勻，因此水平位移和樁高的變化曲線比較光滑。但樁頂與承臺共同承擔煤堆的荷載，相互之間受到較大約束；樁底所在土層彈性模量與其他三層土體相差較大，故樁體位移呈現出兩邊小，中間大的趨勢。由于樁體受到貯煤的豎向壓力的作用，相比外側樁，內側樁體的水平位移會更大，最大水平位移在20 mm左右。表3列出了筒倉在堆滿煤的作用下，筒倉壁、樁的最大位移量。

圖2　筒壁的總位移

圖3　筒倉壁水平位移與筒高變化曲線

圖4　樁的水平位移

圖5　樁的水平位移和樁高的變化曲線

表3　在堆滿煤狀態下的最大位移

5　結語

根據對筒倉壁及樁體的水平位移的分析，得出：筒倉壁受到環梁及承臺的約束，兩端水平位移較?。煌矀}壁中部受到煤堆的水平作用力，水平位移較大。樁體受到堆煤的豎向壓力，產生一定變形，而樁頂被承臺所約束，樁底處于彈性模量較大的土層，產生彎曲，且內側樁體較外側樁體影響較大。

參考文獻：

［1］原方，范量，邵興.大直徑淺圓倉貯料側壓力計算公式探討［J］.隧道建設，2004，24（1）：17-19.

［2］張磊.曲線擋墻散粒體主動側壓力分析及筒倉實踐［D］.長沙：中南大學，2009.

［3］付建寶.復雜條件下大直徑筒倉側壓力的極限分析和有限元分析［D］.大連：大連理工大學，2003.

［4］馬超.筒倉結構—地基相互作用動力計算［D］.西安：長安大學，2008.

Finite element analysis of horizontal displace of integral structure of large-scale coal-storing silo

Yang Zhenjia Jiang Zhe Yang Shuang
（China Hydropower Foundation Bureau Co.，Ltd，Tianjin 301700，China）

Abstract：Taking National Power Huozhou power generation plant as an example，applying ANSYS software for establishing models，the paper sets boundary conditions and computation scope，analyzes horizontal displacement of silo wall and pile of integral structure of coal-storing silo，and obtains simulated results，which has provided some guidance for actual engineering design.

Key words：coal-storing silo，integral structure，silo wall，pile，horizontal displacement

中圖分類號：TU311. 41

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0060-02

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：楊振甲（1984-），男，碩士，工程師；姜哲（1985-），男，碩士，工程師；楊霜（1988-），女，碩士，助理工程師