基于SAP2000的圆形煤仓中央柱有限元分析

高祥杰

摘 要：针对电力行业中的特种结构-煤仓中央柱结构平面不规则，立面复杂特点，在圆形煤仓中央柱承载力分析中运用大型有限元计算软件SAP2000，利用计算机的优势对煤仓中央柱整体建模研究分析。

关键词：SAP2000；数值模拟；有限元分析；煤仓中央柱

中图分类号：TU311.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）23-0019-02

一般大型火力发电厂的输煤栈桥始于圆煤仓中心地下，由卸煤斗将煤从中心柱顶部卸下，通过地下栈桥将煤运走，距离中心柱一定距离处设置一个紧急卸煤斗装置。地下运输系统包括中央柱、紧急卸煤斗、地下隧道。中央柱基础支撑上部堆料取料设备及卸煤漏斗，荷载由厂家提供，结构型式为带三个支墩、顶面开大圆孔的圆形砼筒壁。本文以某大跨越工程实例为背景，根据工程场地地质水文条件及其上部结构荷载分布特点，在设计中运用了大型有限元计算软件SAP2000，采用整体建模研究分析。

1 工程概况

三水恒益电厂“上大压小”2×600 MW超临界燃煤发电机组工程规划总容量为2×600 MW超临界燃煤发电机组，位于佛山市三水区白坭镇。本工程地面粗糙度B类；地震烈度： 多遇地震（50 a内超越概率为63%）水平地震影响系数最大值αmax=0.068，特征周期Tg=0.45 s，相应的基本地震（50 a内超越概率为10%）地面加速度峰值0.077 g。设计地震分组：第一组。场地类别：本场地绝大多数区域采用吹砂回填，回填土层下卧软弱层，建筑场地类别为Ⅱ类，属对建筑抗震的不利地段。

2 工程建模

2.1 几何模型的建立

采用SAP2000中的实体建模，实体模型采用实际尺寸。

2.2 材料的选择以及所用参数

计算模型的材料及所用参数均根据规范中的通用数据选取。

2.3 网格划分

网格划分从下往上建模，直接生成实体，因为无法进行布尔操作，需要预先在CAD中想好如何划分网格，按照实际存在的节点布置完后采用自由网格划分，也可以生成网格图形，但一般是四边形或者三角形单元，难点在于圆形截面外缘是由无数个多段线连接而成，事先要设想好连接方式。这种方法较简便，而且便于后处理以及优化设计分析。

加荷载事先要将荷载面分割选定（如果是集中荷载则要设定关键点和节点），在面上加荷要注意力向。至于重力一般是加反向的体加速度，SAP2000会根据其各自的密度计算出实际的重力。在计算前，SAP2000会自动将荷载和位移边界条件传到网格节点上。当然，也可以在网格划分以后再布置荷载和位移边界条件。

2.4 加载

①边界条件。由于煤仓中央柱基础采用桩基础，所以只需在XY面上施加弹簧模拟桩基约束，弹簧刚度可根据试桩报告计算获取；除此之外，其余各边界面按无约束考虑。

②荷载。在煤仓中央柱结构上施加荷载，所加荷载主要分为恒载，活载，及地震荷载。恒载：Dead，结构自重及上部结构荷载以及土的竖向压力，侧向压力等；侧向压力计算：煤高按5 m考虑荷载效应组合及分项系数按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）采用。荷载直接施加于实体模型上，在SAP2000程序中，求解时程序将自动将所加荷载转换到节点和单元上。

3 用SAP2000有限元程序的计算结果分析

3.1 侧壁计算

根据图1的应力计算结果，推算出侧壁底的最大弯矩为545.9 kN·m，侧壁实配Φ22@150钢筋，As=2 534 mm2。

对于0.7 m厚侧壁：

？籽=■=■=0.396%>？籽min=45■=0.2145%

？孜=？籽■=0.396×10-2×■=0.1<？孜b=0.55

Mu=fyAsh0（1-0.5？孜）=360×2 534×640×（1-0.5×0.1）=554.6 kN·m>Mmax=545.9 kN·m，所以配筋满足要求。

3.2 支墩计算

支墩牛腿：

？茁■■=0.8■

■=14 916 kN>Fvk=11 334 kN

As>■+1.2■=■+1.2■=17 257 mm2

实配：22？准32，As=17 688 mm2

3.3 底板计算

3.3.1 配筋

根据SAP模型计算结果，分析应力较大处，面积为179 266.32mm，取？滓=3.2 N/mm2，則每米所需钢筋面积As≥179 266.32×3.2/300（1 000/250）=7 649 mm2，实配？准32@100，每米As=8 042 mm2。

3.3.2 底板抗冲切验算

筏形承台：

承台受基桩的冲切承载力为：

2.8×（bp+h0）×？茁p×ft×h0

=2.8（0.8×1 000+1 400）×■×（0.9-1）+1×1.71×1 400

=13 891.66 kN>6 693 kN满足要求。

板受基桩的冲切承载力为：

（0.7×？茁h×ft+0.15×？滓pc，m）×？浊×um×h0

故冲切承载力为：

（0.7×0.942×1.71）×1×8 400×1 400=13 260 kN>6 693 kN，满足要求。

4 展 望

煤仓中央柱基础是圆形煤仓中支撑上部堆料取料设备及卸煤漏斗的重要工程结构，但是目前对于这种特种结构的有限元分析研究还比较少。本案例将有限元法应用到实际工程中，对煤仓中央柱采用SAP2000软件进行整体建模模拟，证明用有限元法是一种科学、合理、经济的计算方法，在特种结构设计领域具有很好的前景，为煤仓中央柱基础型式选择与设计优化提供准确可靠的设计参数，确保中央柱基础工程的经济适宜和技术可行，并将有限元分析所得的综合结果投入到实际工程中去。根据理论与实践，研究出安全、经济、实用的科技成果。希望未来能对煤仓中央柱的有限元分析理论更进一步研究，并加以完善。将有限单元法、有限元分析软件能够更多地运用到煤仓中央柱基础分析之中，随着计算机水平和有限元理论的迅速发展，现代的设计方法不断地更新，SAP2000也将会在电厂建筑尤其是在特种结构设计中发挥出更大的作用。

参考文献：

[1] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范[S].