基于ANSYS的圓變方“褲衩形”鋼制石灰石倉結構分析

雷 曉 吳 量 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

石灰石倉是火電廠、化工園區的重要構筑物。傳統的石灰石倉結構通常為方形、圓形或上方下圓等結構規則對稱的形式，但是隨著工藝要求越來越復雜多變以及設備布置的限制，異型石灰石倉越來越多。

以青海鹽湖某項目4臺500 m3石灰石倉為例，考慮鋼制結構較混凝土結構施工方便，可現場制作、安裝，工期短，具有良好的塑性和沖擊韌性，變形能力強，能承受一定的動荷載，項目石灰石倉采用鋼制結構設計。根據生產工藝、設備布置及操作、運輸等方面綜合考量，采取上圓下方即圓變方 “褲衩形”雙出料口新型結構形式。盡管圓變方“褲衩形”石灰石倉有著諸多的優勢，但相比于對稱規則的石灰石倉，其結構復雜，幾何突變較多，在外載荷作用下，受力較為復雜，在石灰石倉壁與漏斗壁的連接處以及相鄰兩漏斗壁連接處常伴隨較為明顯的應力集中，在計算中需要充分考慮。截至目前, 還沒有相關的標準或規范對這類形狀石灰石倉的設計給出明確的應力和變形的計算公式。

要設計和分析鋼制石灰石倉，達到安全、經濟、合理的設計目標，一個行之有效的方法就是利用有限元軟件對它進行分析，得到圓變方“褲衩形”鋼制石灰石倉應力集中和變形較大的部位，從而對結構設計方案進行優化調整，為工程設計提供可靠依據。

1 工程實例

石灰石倉采用上圓下方即“圓變方”結構，上口尺寸為DN8000 mm直徑圓形筒體，中部為“圓變方”異型過渡，具體尺寸見圖1。

圖1 圓變方“褲衩形”石灰石倉簡圖

底部出料口采用兩個600 mm×600 mm方形結構，總容積約為500 m3。從整體外形可以看出形似“褲衩”，所以稱為圓變方“褲衩形”石灰石倉。由于石灰石倉的受力主要集中于漏斗側壁及“褲衩”襠部，故在此處設置5圈環向加勁肋作為加強支撐。

該石灰石倉具有以下特點：

(1)高徑比0.4

(2)上口為圓形，下口為兩個方形，中間為圓變方漏斗狀異形過渡，結構突變，加勁肋設計時可根據應力分布調整形式、規格和間距。

(3)根據項目設備布置要求，在上部圓筒處采用剛性環耳式支座支撐。

2 建模

2.1 有限元模型建立

實體模型的建立提高了模型的仿真度，但使得網格劃分難度加大，計算速度、效率降低，且對計算機的要求較高。考慮到石灰石倉上部直筒部分受力較好，本文重點研究圓變方漏斗段及“褲衩”處的受力分析，因此只建立了石灰石倉支座以下結構的有限元模型。

鋼制圓變方“褲衩形”石灰石倉采用ANSYS有限元進行結構分析時分為兩部分，即石灰石倉壁和加勁肋，采用板殼單元shell63模擬石灰石倉壁，采用beam188單元模擬加勁肋，有限元模型見圖2。

圖2 石灰石倉有限元模型

2.2 材料特性

鋼制石灰石倉筒體和漏斗段均選用Q235B鋼板，石灰石倉在漏斗段設置環向加勁肋支撐，加勁肋采用L100×14等邊角鋼，材質為Q235B，其彈性模量均為2.01×105MPa，泊松比取0.3。貯料石灰石的重度γ=16kN/m3，內摩擦角φ=35°，物料對鋼板的摩擦系數μ=0.3。

2.3 模型加載

本文參考淺倉模型的載荷計算方法并考慮石灰石倉自重，將荷載加載到有限元模型中，為了簡化模型，本文未考慮地震載荷、加料沖擊載荷的影響。貯料荷載產生的壓力示意圖見圖3。

圖3 淺倉貯料壓力示意圖

貯料壓力的計算應符合下列規定：

(1)貯料頂面以下距離s處的水平截面上，作用在倉壁單位面積上的水平壓力為ph應按下式計算：

ph=kγS

(2)貯料頂面以下距離s處，作用在倉壁單位面積上的豎向壓力為pv應按下式計算：

pv=γS

(3)漏斗壁的切向壓力pt應按下式計算:

pt=pv(1-k)sinα·cosα

(4)漏斗壁上的單位面積法向壓力pn應按下式計算:

pn=ξpv

ξ=cos2α+ksin2α

由上述計算式可見，倉筒內壁水平側壓力pn的大小是隨高度s呈線性變化的，漏斗壁切向壓力pt、法向壓力pn的大小不僅與高度s呈線性關系，而且與漏斗壁傾角α呈三角函數關系。因此，對不同高度漏斗壁施加隨高度和角度變化的荷載，使得數值模擬分析與現實情況更為相符，模型加載見圖4。

圖4 石灰石倉模型加載

3 計算結果分析

通過對上述有限元模型進行求解，得到了計算結果。觀察石灰石倉的應力云圖，可以發現加勁肋與漏斗側壁連接處應力集中并不明顯，整體應力分布比較均勻，應力極值較低。但石灰石倉漏斗側壁在結構上由圓變方、“褲衩”處大方變兩小方，此處結構突變、不連續，使得結構變形的角點處產生應力集中，其中“褲衩”襠部外側角點是應力最集中的部位，應力值最大，達到525.36MPa，見圖5和圖6。

圖5 石灰石倉總應力分布

而石灰石倉漏斗側壁各交界位置處節點應力最大值為122.13 MPa，其余應力分布較為均勻，見圖7。

圖7 漏斗側壁應力分布云圖

這是由于鋼材具有比較良好的塑性變形能力，可以使應力再分布，從而緩解應力集中。

石灰石倉位移分布云圖見圖8。

圖8 石灰石倉位移分布云圖

可以看出，最大位移發生在應力集中點正上方靠近A-A截面以上最近一圈加勁肋附近，為20.645 mm。而此處壁板橫向最大跨度L=5650 mm，撓度極限值為L/150= 37.7 mm，20.645<37.7，滿足DL5022-2012[2]規定。

加勁肋應力分布情況見圖9。

圖9 加勁肋應力分布云圖

可以看出，加勁肋的應力值最大不超過90.92 MPa，極大值出現在圓變方“褲衩”交界面襠部角點上方最近一圈的加勁肋上，由于總體應力水平不高，本文不對加勁肋受力做單獨分析。

改善石灰石倉的受力，降低石灰石倉應力集中和減小變形是石灰石倉設計中應考慮的最主要問題。在石灰石倉設計時，增加石灰石倉的壁厚對改善其受力性能作用較為明顯，但當壁厚超過一定值時，其增大引起的受力改善相對有限[3]，同時造成石灰石倉整體結構自重增加較多，對支撐結構要求也越苛刻，經濟性較差。為解決這一問題，應該著重考慮從加勁肋規格調整和方位布置來分析對倉體應力的減小與改善。

3.1 增大加勁肋截面

圓變方“褲衩”交界面處應力和變形較大，在此處可以采用增加外圍加勁肋的截面(如增大型鋼規格)來減小應力集中。

本文僅將交界面處外圍一圈加勁肋角鋼由L100×14增大為L180×18，經過ANSYS計算，“褲衩”處應力由525.36 MPa降到358.4 MPa，應力減小31.8%，應力改善非常明顯；漏斗側壁應力由122.13 MPa降到121.42 MPa，應力減小甚微；位移由20.645 mm降到18.538 mm，應變減小10.2%，見圖10(a)～(c)。

圖10 增大加勁肋截面總應力分布云圖

由此可見，增大加勁肋截面面積可有效降低“褲衩”處由于結構不連續引起的應力集中。

3.2 增加豎向加勁肋

為了進一步優化石灰石倉加強結構，減小倉體變形，模型僅在圓變方“褲衩”交界面沿倉體外表面向上增加豎向加勁肋。

經過計算，根據應力分析結果，見圖11(a)～(c)。

圖11 增加豎向加勁肋總應力分布云圖

由圖可知，“褲衩”處應力由525.36 MPa降到487.48 MPa，應力減小7.21%；漏斗側壁應力由122.13 MPa降到113.81 MPa，應力減小6.81%；位移由20.645 mm降到11.104 mm，應變減小46.2%。所以增加豎向加勁肋后，漏斗側壁的應變均改善相當明顯，因此，豎向加勁肋在撓度控制方面起到很大作用。

經過優化，本例圓變方“褲衩形”石灰石倉的設計采用圓變方結構突變處增大加勁肋截面(角鋼L180×18)和增加豎向加勁肋(角鋼L100×14)的方法，通過合適的焊接工藝，讓加勁肋與倉壁成為一個整體，在貯料變荷載作用下，相鄰構件通過變形協調而共同受力，從而降低應力集中，減小變形。

4 結語

(1)采用ANSYS對石灰石倉進行有限元計算可以使模擬分析與現實情況更為相符，確定石灰石倉最大應力應變出現的位置，通過不斷調整石灰石倉加勁肋的布置和規格，反復試算，有效控制石灰石倉的應力和變形，達到了石灰石倉結構最優化設計的目的，從而使結構更加安全可靠，還能避免不必要的浪費，為工程設計提供依據。

(2)為了降低石灰石倉結構突變、不連續處應力集中，可以增大此處加勁肋截面積，但此方法對減小漏斗側壁板的應力應變影響并不明顯。

(3)當石灰石倉漏斗側壁鋼板變形或位移較大時，可以在水平加勁之間設置豎向加勁。豎向加勁肋將鋼板細化為小方格，可有效減小漏斗側壁板的變形或位移。但此方法對減小結構突變處和漏斗側壁處應力集中效果并不明顯。