漏斗狀泥砂分離罐體有限元受力分析

高瑞琪， 張 倩， 徐 皓， 田卜元

（中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451）

泥砂分離罐體是現代工業生產制造業常見的結構形式，由多個鋼結構構件焊接組合而成，在保證自身穩定性的基礎上，還應承受加工過程中材料和器械對罐體的沖擊荷載。目前，對鋼結構罐體的設計分析較少，大多基于標準化圖集，特別是對實體單元的有限元分析幾乎沒有。本文根據具體工程實例，建立有限元梁板單元模型，對泥砂分離罐體受力進行分析驗算，相關分析過程及結果可用于指導類似鋼結構罐體設計施工。

1 工程概況

深圳市吉華醫院項目引入泥砂分離技術對外運土方進行泥砂分離處理。

泥砂分離系統設置2 個泥砂分離罐，2 個罐體緊鄰布置。罐體為上部圓柱、下部圓錐的漏斗形；底部設有鋼管支撐，鋼管通過預埋鋼管與基礎相連；鋼管間連接槽鋼作為水平、斜向支撐。罐體的各部分焊接。泥水分離罐體總高度15 m，外徑9.55 m；上部圓柱為8 mm 厚鋼板，高度6 m；下部圓錐為10 mm 厚鋼板，高度5 m；底部由14根壁厚11 mm、直徑375 mm 的鋼管支撐；鋼管間水平支撐為16#槽鋼，斜向支撐為12#槽鋼。見圖1。

圖1 泥砂分離罐體結構

2 模型建立

罐體上部圓柱和下部圓錐采用板單元進行模擬（Shell），底部支撐鋼管、水平和斜向支撐槽鋼采用梁單元（Beam）進行模擬。按網格尺寸500 mm×500 mm，共劃分1 220 個板單元、760 個梁單元。見圖2 和表1[1]。

表1 罐體模型材料參數

圖2 泥砂分離罐體有限元模型計算單元及網格劃分

罐體支撐鋼管通過預埋鋼管與基礎相連，因此將罐體模型的支柱下端進行約束，U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0[2]。

3 驗算荷載及工況

泥砂分離罐體的荷載包括自重、泥漿荷載和風荷載。罐體自重自動加載；內部設備質量5 000 kg，以質量點形式施加在模型上；罐體設計容積為555.5 m3，泥漿密度取1 100 kg/m3，罐體泥漿質量為611 007.5 kg，罐體泥漿的重心坐標為（0，0，10.234），以質量點形式施加在模型上[3]，見圖3。

圖3 罐體泥漿及內部設備質量施加

罐體風荷載按現行規范[4]進行計算，設計要求抗8級風，計算風荷載

式中：P——風荷載；

f——地形、地理條件系數，取0.611；

Vk——風速，取21 m/s；

Ch——體型系數，取1；

Cs——風壓高度變化系數，當受風中心至水面的垂直距離＜15 m時，取1.5。

風荷載作用見圖4。

圖4 風荷載作用

慣性力取重力加速度，即（0，0，g），g為9.8 m/s2。

對荷載條件進行工況組合，工況1 按承載能力極限狀態采用基本組合，工況2 按正常使用極限狀態采用標準組合[5]。

4 計算結果

對2 種工況下有限元計算模型結果進行分析，工況1 下最大應力點位于罐體下部圓錐部分支撐鋼管處，為52 MPa；工況2 下最大位移點位于罐體上部和外圍支撐鋼管處，為1.4 mm。見圖5和圖6。對結構各單元的強度和結構受壓桿件進行校核，罐體結 構強度和穩定性均滿足規范要求。見表1和表2。

圖5 應力

圖6 位移

表1 罐體結構強度MPa

表2 受壓桿件屈曲

5 結論

利用有限元計算軟件對罐體結構進行驗算，泥砂分離罐體結構強度和剛度均滿足使用要求，在工程實踐中泥砂分離罐體使用效果良好，完成了設計功能。

本文通過軟件對大型高聳罐體結構進行了分析計算，為施工安全和泥砂分離系統正常運轉提供了保障，實踐表明本文計算結果是安全可靠的，可為工程常見的大型水泥罐和儲水罐等設計提供參考。