歪嘴灰斗的静力分析

梁志乾，赵建昌（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）

歪嘴灰斗的静力分析

梁志乾，赵建昌
（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）

在一些实际工程中因使用功能的需求或已有设备的限制，灰斗做成歪嘴形。在手册或规范中很少涉及针对歪嘴灰斗的计算及构造。为了明确歪嘴灰斗的受力与变形，通过对某电厂改造项目中歪嘴灰斗的有限元分析，计算在静力荷载作用下歪嘴灰斗自身的变形、构件的应力和内力分布，得出歪嘴灰斗的受力特点。

歪嘴灰斗；静力分析；SAP2000

除尘器作为重要的除尘设备，在火力发电厂、水泥厂等广泛使用。对于一般的灰斗计算都是按照手册推荐的方法或有限元法计算［1-3］，对于工程项目中遇到的一些特殊形状的灰斗如歪嘴灰斗［4］，在计算手册或相关规范中很少涉及到其受力特点及构造措施。对于这些特殊灰斗基本都是按对称灰斗进行计算、采取构造措施，因两者的变形及内力分布不同，使计算结果与实际受力不相符合［5］。

本文结合实际工程，采用结构通用有限元分析软件SAP2000对单个矩形双向交叉加劲肋的歪嘴灰斗在静力荷载作用下自身的受力情况进行分析讨论。

1 灰斗的构造要求与受力计算

1.1 灰斗的构造要求［6］

手册中建议灰斗斜壁的倾角比贮料休止角大5°～10°，这样有利于贮料在自重作用下卸出；当 an或bn=8 m～9 m；宜采用双向型钢加劲肋，并将前后两面的垂直加劲肋连接起来（an、bn为灰斗大口处的长、宽尺寸）。

1.2 双向交叉加劲肋灰斗的受力特点

双向交叉加劲肋灰斗可按主次梁体系计算板壁和垂直加劲肋的弯矩。板壁双向受弯并承受斜向拉力；垂直加劲肋仅承受板壁传来的荷载引起的弯矩；水平加劲肋除承受相邻侧壁传来的水平拉力；还承受板壁和垂直加劲肋传来的法向荷载引起的弯矩。

1.3 灰斗的内力计算

斜壁任一水平截面单位宽度上的斜向力标准值Ni（kN/m）可按式（1）计算:

式中:αi为该斜壁与水平面的夹角；Nvi为该斜壁相应水平截面单位宽度上的竖向拉力。

2 有限元静力分析

2.1 工程概况

该项为一电厂除尘器新增项目 ，由于原有支架及烟道的影响，新增除尘器的灰斗做成歪嘴型 ，见图1。

灰斗大口:11.8 m×11.400 m，灰斗小口:2.6 m ×110.2 m，高度:3.72 m。灰斗壁采用 δ=6 mm厚钢板，外侧水平方向为H型钢（H294×200×8×12）做加劲肋，竖向采用角钢（L100×63×8）做加劲肋，灰斗壁及加劲肋材料均为Q235钢，其弹性模量: E=2.06×105N/mm2，泊松比:0.3，屈服强度:235 MPa，质量密度:7 850 kg/m3。灰斗前板与水平面夹角为32°；灰斗后板与水平面夹角为73°；灰斗左右侧板与水平面夹角为81°。

图1 灰斗CAD图

2.2 有限元分析模型

灰斗是典型的板壳带肋矩形斗仓结构，整个灰斗由前板、后板、左侧板、右侧板和底板组成，各板外表面焊有加劲肋。对该灰斗结构进行简化，只保留灰斗的板壁、横向加劲肋和垂直加劲肋。

采用板梁混合结构建立有限元模型。本模型用SAP2000中线单元中的框架单元FRAME来模拟灰斗的水平及垂直加劲肋，用面单元中的薄壳单元SHELL来模拟灰斗各壁板［7］。壳单元是3或4结点单元，包含独立的膜和平面弯矩行为；壳单元每个连接节点上都有6个自由度，可承受力和弯矩［8］。

2.3 约束条件

灰斗上部与支架钢梁等强度焊接，故灰斗上部取为固定约束［2，9］；灰斗下部支撑在底梁上，故灰斗下部约束竖向位移。建立符合实际情况的模型，见图2。

图2 灰斗实体模型

2.4 荷载取值及组合

灰斗的静荷载包括灰斗自重、保温层重量、负压、灰荷载。灰斗自重根据材料特性与几何特性软件自动计算；保温材料以恒载均布加在灰斗壁上，负压值为1 000 Pa。

灰斗壁单位面积上的法向压力标准值为:

式中:ξ为法向压力系数，ξ=cos2α+ksin2α，α为灰斗壁与水平面夹角；pv为相应计算截面处的竖向压力标准值，pv=C·γ·s，参数C为贮料瞬间直接卸入浅仓时的冲击影响系数，详见贮仓结构设计手册；s为积灰顶面到计算截面的距离；粉煤灰重度8.0 kN/m3，粉煤灰其它物理参数:摩擦角25°～30°；对钢板摩擦系数0.4，休止角30°。

在计算中取最不利情况组合，即灰斗排料系统出现故障，灰斗满灰的情况。取永久荷载分项系数为1.2；可变荷载分项系数为1.3［3］。

3 计算结果分析

3.1 内力分析

根据以上规定的约束条件、荷载类型及组合，通过SAP2000的有限元分析，对灰斗的整体变形、灰斗壁板的应力及加劲肋的轴力、弯矩的最大值进行统计（未考虑应力集中）见表1。变形、应力及内力分布见图3～图5。

表1最大值统计表

图3 灰斗整体变形图（单位:mm）

图4 灰斗壁板应力云图（单位:kPa）

图5 灰斗加劲肋应力云图（单位:kPa）

由表1及图3～图5可知，灰斗的最大变形出现在与水平面夹角为32°的斜面上，最大变形为10.5 mm，其余个板壁变形很小；灰斗壁板的最大应力出现在与水平面夹角为32°的斜面上，最大应力为19.15 MPa；加劲肋的最大弯矩出现在与水平夹角为32°的斜面上，水平向加强劲最大弯矩为 20.28 kN·m，竖向加强劲最大弯矩为0.56 kN·m，在左右板壁靠近前板的位置出现较大的负弯矩；加劲肋的最大轴力出现在与水平夹角为32°的斜面上，水平向加强劲最大轴力为131.8 kN，竖向加强劲最大轴力为10.87 kN，左右板壁水平加劲肋由后板壁向前板壁轴力逐渐增大，靠近前板壁部位水平加劲肋出现较大拉力。

3.2 夹角α对位移的影响

取手册推荐的板壁与水平面夹角（取40°）建立对称灰斗模型，其余参数同上述歪嘴灰斗。

将歪嘴灰斗与对称灰斗各板壁的最大位移用曲线连接，见图6。从图6可以看出，当灰斗板壁的角度从粉煤灰的休止角30°到40°的范围内，灰斗板壁的位移由10.5 mm减少到3.1 mm，减小较快。从40°到72°之间位移由3.1 mm减少到1.3 mm，减小较慢；从72°到80°之间位移由1.3 mm减少到0.9 mm位移变化不大。

图6 角度—位移图

因此在设计时，宜将灰斗板壁与水平面的夹角设置在40°到70°之间；若因条件限制灰斗壁与水平面的交角接近贮料的休止角时，宜在灰斗板壁内侧涂刷减小摩擦涂料等措施减少贮料与板壁之间的摩擦系数；在条件允许的情况下宜采用水冲将贮料带出灰斗。

3.3 水平加劲肋受力对比

取歪嘴灰斗与对称灰斗的中间一层的水平加劲肋进行内力比较分析，弯矩与轴力对比见图7、图8。

图7 灰斗水平加劲肋弯矩对比（单位:kN·m）

图8 灰斗水平加劲肋轴力对比（单位:kN）

从水平加劲肋的内力图可以看出，其受力与封闭框架类似，但歪嘴灰斗在左右侧板上的水平肋出现受力异常，由于灰斗的偏心作用，使得左右侧板上的水平肋出现由后板壁向前板壁方向逐渐增大的负弯矩；32°斜面上的水平加劲肋以受拉为主，中间受力最大，两边依次减小，左右侧板上的水平肋出现由后板壁向前板壁方向逐渐增大的压力。

鉴于上述歪嘴灰斗水平肋的受力特点，在设计时应对不同夹角斜面上的水平肋采取不同的截面或不同型号的型钢，以满足受力要求。

综合以上的计算和对比结果可知:随着板壁与水平面夹角的增大，各构件的受力均有减小；歪嘴灰斗的最大变形与应力均出现在与水平面夹角为32°的斜面上，该板壁与水平面夹角接近于粉煤灰的休止角；歪嘴灰斗水平肋的受力与对称灰斗水平肋的受力相差很大，局部出现受力相反的现象；由应力云图可知灰斗与除尘器壳体、法兰口连接处，壁板与壁板交汇处，竖向加劲肋与除尘器壳体、法兰口连接处，以及加劲肋与加劲肋交汇处出现应力集中。

4 结 论

（1）歪嘴灰斗各板壁与水平面夹角不相同，导致变形、应力及内力在各板壁上分布及大小均相差较大。

（2）灰斗板壁与水平面夹角接近于贮料休止角的斜壁上变形与应力均较大，设计时应避免灰斗板壁与水平面夹角过小。

（3）针对歪嘴灰斗板壁的受力与变形特点，在设计中对不同的面应采用不同规格的材料及构造措施；对出现应力集中的部位采取适当的构造措施予以加强。

［1］ 张天助，王成樵，金立赞，等.某电除尘器灰斗结构极限承载能力状态分析［J］.钢结构 ，2007，22（8）:63-65，76.

［2］ 陈建来，丁晓红，王 峰，等.大型电除尘器灰斗结构分析及优化设计［J］.矿山机械，2008，36（15）:102-105.

［3］ 杜佳棋，汪志强，马建中.关于电除尘器大灰斗改造方案的建议［J］.工业安全与环保 ，2014，40（1）:12-15.

［4］ 冯宇飞，郭永生，李成渊，等.高地震烈度区大直径框支圆钢仓设计［C］//全国钢结构学术年会论文集，北京:工业建筑杂志社，2009:87-89.

［5］ 吴 昊，徐 榕 .灰斗的强度分析［J］.机械设计与研究 ，2012，28（2）:93-95.

［6］ 贮仓结构设计手册编写组 .贮仓结构设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［7］ 李 刚，王 强，叶 亮，等.新型电除尘器下部钢支架与灰斗协同作用分析［J］.四川建筑，2009，29（1）:108-112.

［8］ 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.

［9］ 孔春林，张德轩，陈 宇，等.电除尘器灰斗的有限元分析［C］//第十一届全国电除尘学术会议论文集，郑州，2005:414-416.

Static Analysis of An Askew Mouthed Ash Hopper

LIANG Zhi-qian，ZHAO Jian-chang
（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

In some practical engineering projects，due to the functional requirements of the specific structure or the restrictions imposed by the existing or preinstalled equipment，the entry or exit of the hopper are made into an askew section.Engineering manuals or codes rarely involve the construction and computations of askew hoppers.To determine the stress and deformation of askew hoppers，the FEM analysis of an askew mouthed hopper in a power plant was conducted. In the analysis，the hopper deformation，internal force and stress distributions under static load were calculated and the stress characteristics of the askew hopper was obtained.

askew hopper；static analysis；SAP2000

U318

A

1672—1144（2015）02—0136—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.028

2014-12-04

2014-12-31

梁志乾（1987—），男，甘肃白银人，硕士研究生，研究方向为结构工程。E-mail:liang.zhi.qian@163.com