多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁整体有限元结构分析

陈 辉

CHEN Hui

(浙江省电力设计院，浙江 杭州310012)

煤斗［1］是火力发电厂供煤系统中的一个重要构筑物，通常为方形、圆形或上方下圆等规则对称的形式，但是随着工艺要求越来越复杂多变以及框架结构梁柱布置的限制，异型钢煤斗越来越多。相比于对称规则的钢煤斗，异型钢煤斗的受力更为复杂，因此对煤斗采用有限元计算已非常普遍，但绝大部分设计均假定煤斗支座为三向铰接，并没有将混凝土支撑梁整体建入模型，同时未考虑煤斗支座位移差的影响［2-9］。

本文结合浙江浙能六横电厂的钢煤斗，通过应用有限元软件ANSYS 进行钢煤斗与混凝土支撑梁的空间整体分析，对计算模型进行修改和试算，确定加劲肋的位置和大小，确定煤斗支座应力，计算混凝土支撑梁的内力和配筋，以此来保证结构应力和变形符合规范要求。

1 钢煤斗结构型式

浙江浙能六横电厂转运站考虑一期、二期卸煤问题，在转运站中设置了一个煤斗作为中转。煤斗为一分四结构，即煤斗具有4 个漏斗。煤斗外型见图1。煤斗上部为10.8 m ×12 m 矩形钢煤斗，下部变成为4 个3.168 m ×3.168 m 的漏斗。整个煤斗搁置在中间的混凝土框架上。煤斗支座和纵、横向加劲肋采用型钢，煤斗壁厚10 mm，均为Q235B。煤斗的容积为1 078 m3。从煤斗的外形可以看出，该煤斗具有以下特点:

(1)根据《钢筋混凝土筒仓设计规范(GB 50077—2003)》［10］，该煤斗筒仓属于浅仓;

(2)漏斗挂在混凝土梁的斜面上，所以混凝土梁的截面形状为不规则;

(3)漏斗挂点与混凝土梁埋件相连，为保证斗壁受拉，节点处增加局部加劲肋。

2 计算模型的建立

2.1 模型的建立

结构模型包括煤斗壁、加劲肋和混凝土梁。

在有限元建模［11］时，采用混合法模拟实际结构。即用板壳单元shell63 模拟煤斗壁，用beam188单元模拟加劲肋，用solid45 来模拟混凝土梁。ANSYS模型见图2。

图1 煤斗整体结构图

图2 ANSYS 煤斗模型

2.2 参数设置

钢材的弹性模量为2.06 ×105MPa，泊松比为0.3，密度为78 kN/m3。混凝土的弹性模量为3 ×104MPa，泊松比0. 2，材料密度25 kN/m3［12-13］。Shell63 单元厚度10 mm。

2.3 边界条件

实际结构中，钢煤斗支撑在混凝土梁上，混凝土梁部分铰接于混凝土框架梁上，部分刚接于框架柱上。在ANSYS 模型中在混凝土梁端设置一块钢板，用于施加铰接约束和固定约束［14-16］。

2.4 加载

根据《钢筋混凝土筒仓设计规范(GB 50077—2003)》进行荷载计算，煤的重力密度为γ =10 kN/m3，内摩擦角φ=38°。筒仓压力计算简图见图3。

(1)贮料顶面或贮料锥体重心以下距离s(m)处，作用在斗壁单位面积上的水平压力为

ph=kγs，k=tan2(45° -φ/2) (1)

(2)贮料顶面或贮料锥体重心以下距离s(m)处，作用在煤斗壁单位面积上的竖向压力为

(3)漏斗壁的切向压力应按下式计算:

(4)漏斗壁的法向压力应按下式计算:

图3 贮料压力分布简图

各漏斗壁的法向荷载施加在ANSYS 中通过参数化设计语言，并编写函数来施加漏斗壁切向荷载。

3 计算结果与结果分析

3.1 计算结果

由于建模时在框架梁端部采用钢板模拟支座，因此支座处会产生应力集中。根据圣维南原理，支座处集中应力可以不予考虑。经过不断试算，煤斗的应力图、位移图见图4，煤斗壁最大应力为143.164 MPa，煤斗壁板最大位移为12.523 mm。

计算得到框架梁的支座反力。支座编号见图5，具体数值大小见表1。

3.2 计算分析

从结果分析:

(1)钢煤斗的最大位移满足规范要求，12.523 mm ＜a/150 =26.7 mm。

(2)从应力分布来说，除去支座处产生的应力集中以外，煤斗应力均小于Q235 钢材的强度设计值215 MPa。支座处的应力集中可以通过增加加劲肋解决。

(3)支座反力误差分析:

煤的重量1 078 m3×10 kN/m3=10 780 kN;

钢煤斗重量9.8 m3×78 kN/m3=764.4 kN;

混凝土框架梁重量85. 8m3× 25kN/m3=2 145 kN;

实际总重:13 689.4 kN。

误差率=(13 689.4 -13 594.4)÷13 594.4 ×100% =0.7%

从结果得出支座反力误差较小，符合实际情况，计算结果是可靠的。

(4)根据支座处的反力，可以计算混凝土框架梁配筋。

图4 煤斗计算结果

图5 支座分布及编号

表1 ANSYS 支座反力的计算结果

3.3 与其他建模方法的计算结果比较

为确保ANSYS 计算的结果正确，采用PKPM软件将煤斗本体作为荷载输入，建立混凝土框架梁整体空间模型，得到支座处的反力见表2。将表2 和表1 中的支座反力进行对比，发现混凝土梁剪力的误差均在10%以内，而弯矩的误差相对来说要大一点，特别是9 号节点，差距最大。这是因为在ANSYS模型中，将此处实际的混凝土框架柱模拟成一个刚接节点，和实际情况相差较大，所以这个误差也是可以被接受的。因此认为ANSYS 的模拟是正确的。

表2 PKPM 支座反力的计算结果

3.4 节点优化设计

多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁协同工作，上半部分钢煤斗支撑在混凝土梁顶面，钢漏斗部分与混凝土斜面上的埋件焊接。同时为解决钢煤斗支座处的集中力问题，设置局部加劲肋，并且同时考虑了施工安装的可行性和方便性。具体节点详图见图6。

图6 节点详图

4 结 语

本文通过对结构进行有限元分析，可以得到以下结论:

(1)通过有限元方法对多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁进行整体空间分析，可以得到应力集中位置、应力大小和混凝土梁的计算内力。同时将结果和实际的荷载重量以及PKPM 中得出的结果进行比较，证明计算结果真实可靠。

(2)钢煤斗的加劲肋处、钢煤斗与混凝土支撑梁的连接节点处会出现应力集中及钢结构应力偏大，混凝土则容易形成裂缝，因此在此处增加加劲肋加以解决，并需严格控制焊缝质量。同时，由于混凝土支撑梁为上小下大的不规则形状，钢筋密集，而且还有埋件，所以此处混凝土施工质量必须严格加以控制，以便保证混凝土支撑梁和整体结构的安全。

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