钢煤斗三维设计分析

周小歆 中海油石化工程有限公司 济南 250010

钢煤斗是煤化工、热电厂常见的构筑物，属于特种结构。目前设计中常用的设计方法是：依据GB50884[1]和《贮仓结构设计手册》[2]将钢煤斗分为几个独立部分进行计算，采用二维杆件独立设计方法。由于没有考虑整体的互相作用效果，实际中可能会出现过于保守或局部不安全的结果，存在安全隐患[3]。基于以上问题，本文介绍一种三维整体分析方法。

1 钢煤斗三维整体计算方法

1.1 分析软件

STAAD是一款基于三维有限元分析的结构计算软件，优势是： ① 分析各种非常规非标准类型的钢结构；② 对于常见的钢结构类型有快速参数化建模的特点；③ 可计算的荷载类型丰富；④ 半参数化、半手动化的建模分析方法相比通用的有限元软件，可提高设计人员的工作效率[5]。

针对钢煤斗的特点，用STAAD有限元分析软件可用梁板单元来模拟，具体为用板单元来模拟钢煤斗的壁板，用梁单元来模拟加劲肋[6]，同时，这种建模方式效率高、后期调整方便、计算速度快，也符合设计手册和规范的要求。

1.2 三维整体计算方法

利用有限元分析软件进行整体分析计算，该模型考虑壁板和加劲肋的整体作用效果，更接近实际的受力情况，可直观展现整个结构的薄弱区域和相对保守区域[4]，对优化设计和保证整体结构安全是非常必要的，弥补了二维零散构件计算的不足，也是对手算的复核和补充。

2 钢煤斗计算基本规定

2.1 荷载

计算钢煤斗最重要的荷载是是贮料荷载。钢煤斗一般设置在上煤除氧间厂房内，风荷载可忽略；地震力对钢煤斗的影响较小，本文中不考虑地震力的作用。

贮料的物理特性参数可按表1的数值选用，并应考虑摩擦力。

表1 煤的物物理特性指标

钢煤斗一般属于浅仓。浅仓是指贮料计算高度hn与圆形仓内径dn或与矩形仓的短边bn之比小于1.5的钢筒仓，贮料压力计算简图见图1。

图1 受力图示

(1)单位面积的竖向压力标准值pVk计算见式1:

pvk=Cγs

(1)

式(1)中,C为卸料时的冲击系数；γ为贮料重度；s为贮料顶面到计算截面的高度。

(2)任意深度处，单位面积的水平压力标准值Phk计算见式(2)、式(3)：

Phk=kpvk

(2)

(3)

式(3)中,φ为贮料的内摩擦角。

(3)任意深度处，法向压力标准值pnk见式(4)、式(5):

Pnk=ξpvk

(4)

ξ=cos2α+ktan2α

(5)

式(5)中,α为煤斗壁与水平面夹角。

2.2 变形规定

受弯构件的允许挠度见表2。

表2 受弯构件的容许挠度 (mm)

2.3 加劲肋布置规定

加劲肋的常见布置见图2，具体规定可见贮仓结构设计手册中相关规定要求。

图2 加劲肋布置

3 工程实例

某工程上煤除氧间一双出口矩形钢煤斗，竖直段顶部固定在框架梁上。按照规定初步选用构件型号：水平加劲肋L200×125×16，间距900mm，竖向垂直加劲肋-150×12，壁板厚12mm。结构图见图3。

图3 钢煤斗结构图

3.1 建立三维整体模型

(1)用板单元来模拟钢煤斗的壁板。

(2)用梁单元来模拟加劲肋，不考虑加劲肋的偏心作用。

(3)煤斗竖直段顶部全约束刚性支座。

(4)荷载Hn/b=3.8/7=0.54<1.5，属于浅仓。

参数：γ=13kN/m2，冲击系数C=1.0，内摩擦角=30°，α=65°，贮料顶面为水平面，贮料装至仓顶。

k=tan2(45-φ/2)=0.333，

ξ=cos2α+ksin2α=0.45

竖直段水平压力梯形荷载最大值(s=3.8m)：Phk=krs=0.333×13×3.8=16.5 kN/m2,

斜壁法向压力(顶部)(s=3.8m)：Pnk=rsξ=13×3.8×0.45=22.23 kN/m2,

斜壁法向压力(底部)(s=7.0m)：Pnk=rsξ=13×7×0.45=40.95 kN/m2,

斜壁切向力：Ptk=Pvk(1-k)cosαsinα=rs(1-k)cosα×sinα,

斜壁顶切向力(s=3.8m)：Ptk=13×3.8×(1-0.333)×cos65°×sin65°=12.62 kN/m2,

斜壁底切向力(s=7.0m)：Ptk=13×7×(1-0.333)×cos65°×sin65°=23.25 kN/m2,

荷载组合1(计算最大应力)=1.3×自重+1.5×活载,

荷载组合2(计算位移)=1.0×自重+1.0×活载。

加载方式：板的法向压力通过板单元静水压力荷载施加，斜壁切向力通过板整体压强分段施加。

(5)有限元模型

计算模型的网格划分由加劲肋的布置确定，因加劲肋间距已经较小且划分的网格数量也满足工程所需的计算精度要求，不再细分网格。

用于计算分析的有限元模型见图4。

图4 有限元模型

3.2 计算结果

针对重点关心的计算指标，满足规范设计要求，本文只针对应力和位移计算结果进行分析。

在荷载组合1下，壁板的最大应力80MPa，出现在竖直段中部，详见图5，满足要求。

图5 应力图

在荷载组合2下，壁板最大位移13.3mm，变形见图6。

图6 变形图

3.3 应力、位移分析

分析不同壁厚和水平加劲肋间距变化对钢煤斗最大应力和最大位移的变化，分析统计的数据见表3、表4，绘制的变化图见图7、图8。

表3 应力值 (MPa)

图7 壁厚和水平加劲肋间距变化对钢煤斗最大应力的影响曲线

表4 最大位移(mm)

图8 壁厚和水平加劲肋间距变化对钢煤斗最大位移的影响曲线

根据上述数据和曲线得出以下规律：

(1)水平加劲肋间距越大，壁板应力越大；水平加劲肋间距在900mm～1200mm时，间距越小，壁板应力降低作用最明显；水平加劲肋间距>1200mm或<900mm时，间距变化对应力影响较小。

(2)水平加劲肋间距越大，壁板位移越大；水平加劲肋间距>1200mm时，间距变化对壁板位移影响较大，水平加劲肋间距≤1200mm时，位移变化较小。

(3)壁厚越大，相应的应力和位移越小；壁厚>12mm时，壁厚对应力和位移影响较大，壁厚≤12mm时，壁厚对应力和位移的影响较小。

4 结语

本文结合工程实例对钢煤斗进行三维有限元分析，得出以下结论：

(1)钢煤斗三维有限元计算模型应考虑整体构件的相互作用，弥补二维平面计算的不足，针对较复杂的钢煤斗时，应按两种方法进行包络设计，保证结构安全。

(2)设计中可调整壁板厚度和加劲肋间距来满足规范要求。

(3)钢煤斗在工程应用中可初步选择壁板壁厚在12mm以下，大型钢煤斗可根据初步计算结果分段采用不同厚度；水平加劲肋间距900mm～1200mm之间，再根据模型计算结构进行调整。