钢煤斗有限元分析与计算

郭建华

摘 要：该文采用sap2000对某电厂锅炉房钢煤斗进行了建模计算，同时介绍了钢煤斗的贮料荷载的计算方法，对煤斗壁和加劲肋进行了强度和挠度的校核，提出了工程设计措施。煤斗是发电厂重要的构筑物，一般用于贮煤和卸煤，属于筒仓类结构。目前，针对煤斗还没有专门的计算应力和变形的公式，主要采用有限元法进行计算。也没有专门的设计规范，一般参考《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB50077-2003）和《钢筒仓技术规范》（GB50884-2013）。该文就某电厂锅炉房煤斗的结构设计进行简要介绍和分析。

关键词：钢煤斗 sap2000 强度 挠度 有限单元法 表面荷载

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0034-01

1 煤斗贮料荷载分析

煤斗按采用的材料可分为钢筋混凝土结构和钢结构，按结构计算方法可分为浅仓和深仓，当仓壁计算高度hn与圆形筒仓内径或矩形筒仓短边之比大于等于1.5时为深仓，小于1.5时为浅仓。本例采用钢结构，属于矩形浅仓，贮料荷载按浅仓计算。

采用sap2000对煤斗进行建模分析。该煤斗为单斜式矩形钢煤斗，平面尺寸为5.35 m×4.75 m，立面尺寸為9.6 m高。几何容积为122 m3。煤斗壁和加劲肋均采用Q235B钢材。经过反复试算，煤斗壁计算厚度取10 mm，考虑到使用磨损，设计时使用12 mm，水平加劲肋采用不等边角钢L125×80×12和L140×12，竖向加劲肋采用100×10钢板，底板漏斗口采用等边角钢L140×14加强。

煤为褐煤，重度取10 kN/m3，内摩擦角φ取30゜，与钢板的摩擦系数μ取0.3。煤斗的主要受力荷载即为贮料荷载，贮料对煤斗内壁的作用力主要有：煤对竖壁的水平侧压力标准值Phk，竖向压力标准值Pvk，对斜壁的切向压力Ptk和对斜壁的法向压力Pnk。

以上作用力的计算公式如下：

其中γ为煤的重度，s为贮料顶面到计算截面的距离

其中k为煤的侧压力系数，

°

由上述公式可以看出，以上荷载均与s呈线形关系，其中切向压力Ptk和法向压力Pnk还和倾角α有关。在sap2000中输入这种随尺寸变化的荷载可采用节点样式。

根据GB50884-2013，对于承载力极限状态，荷载组合取1.35×自重+1.3×贮料荷载。对于正常使用极限状态，荷载组合取1.0×自重+1.0×贮料荷载。

2 强度计算结果分析

钢煤斗的计算分为两部分：煤斗壁和水平加劲肋。模型中，煤斗壁采用shell单元，重量修正系数取1.2；加劲肋采用frame单元，水平加劲肋间距700 mm，竖向加劲肋间距约500 mm。分析前应在所有壳单元生成边束缚，以确保煤斗壁和加劲肋协调变形。建模时应注意角钢的插入点程序默认为形心，应改为角钢的长肢顶端，否则会使结构挠度偏大。

2.1 煤斗壁应力结果

图1为煤斗壁的Von-Mises应力云图。最大应力出现在煤斗底部，根据计算所得结果，最大应力为126 N/mm2。小于设计强度，满足设计要求。

2.2 水平加劲肋内力结果

加劲肋按拉弯或压弯构件设计。由于加劲肋和斗壁钢板牢固焊接，可认为斗壁钢板可阻止加劲肋受压翼缘失稳，因此可不计算加劲肋的整体稳定，只做强度验算。

在1面上，对于角钢L125×80×12，角钢和斗壁的组合截面的截面属性如下：

A=5343 mm2，Ix=18800816.84 mm4，Iy=18899684.46 mm4，Wx1=Ix/dx1=206149mm3，Wx2=Ix/dx2=164630 mm3，Wy1=Iy/dy1=148816 mm3，Wy2=Iy/dy2=273117 mm3。

分别验算跨中和支座截面，跨中截面最大内力为：Mx=4 kN·m，N=124 kN（拉为正，压为负），My=0.8 kN·m。My较小，可忽略不计，按单向拉弯构件验算强度：

=42 MPa

支座截面最大内力为：Mx=-6 kN·m，N=60 kN。强度验算：

=46 MPa

满足强度要求。

3 挠度计算结果分析

3.1 煤斗壁挠度结果

经有限元计算，得到煤斗在1.0×自重+1.0×贮料荷载工况下的挠度结果，挠度最大值为5 mm，位移等值线云图见图2。

GB50884给出的壁板挠度限值为两加劲肋间距/100=7 mm，满足规范要求。若不采用竖向加劲肋，挠度最大值为11.7 mm，可见，竖向加劲肋在控制挠度和减小水平加劲肋内力方面起到很大作用，一般当漏斗高度超过7 m时建议加设竖向加劲肋。

3.2 加劲肋挠度结果

L125×80×12在标准组合下的最大挠度为4.91 mm，其跨度L=4720 mm，满足规范的挠度限值L/150。也满足规范要求。

4 结语

钢煤斗是火力发电厂的一个重要构筑物，该文结合工程实例对钢煤斗进行了准确的分析计算并对斗壁和加劲肋进行了强度和挠度验算。有限单元法是一种很好的设计补充手段，它能直观形象的反映出整个结构各个部位的受力情况，其受力状态更符合实际受力状态。以上工作希望能对后续的煤斗设计起到一定的参考作用。

参考文献

[1] GB50884-2013钢筒仓技术规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[2] GB50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3] 杜欣喜，施浩，范振忠，等，钢煤斗有限元结构分析的探讨[J].武汉大学学报：工学版，2003，36（4）：88-91.

[4] 张玉峰，朱前亮.某电厂钢煤斗有限元空间分析[J].武汉大学学报：工学版，2005，38（5）：83-87.

[5] 张震，王黎明.浅谈钢煤斗的设计[J].山西建筑，2009，35（7）：69-70.