顏偉澤
(福建南方路機(jī)機(jī)械有限公司,福建 泉州 362021)
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展,建筑混合料(如混凝土、瀝青混合料、干混砂漿等)攪拌設(shè)備趨于大型化,對(duì)鋼筒倉(cāng)存儲(chǔ)量的要求越來(lái)越大。
目前,室外鋼筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)大多參考《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)于筒倉(cāng)及支承的設(shè)計(jì)往往采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算,缺乏理論依據(jù)。本文詳細(xì)闡述了室外鋼筒倉(cāng)載荷計(jì)算方法,運(yùn)用ANSYS對(duì)某預(yù)研中的1000t鋼筒倉(cāng)進(jìn)行有限元計(jì)算,分析鋼筒倉(cāng)在風(fēng)載及地震工況下的變形及應(yīng)力狀態(tài),為鋼筒倉(cāng)深一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改進(jìn)設(shè)計(jì)方法提供理論依據(jù)。
以某預(yù)研中的干混砂漿攪拌設(shè)備外置倉(cāng)容為1000t的鋼筒倉(cāng)為研究對(duì)象,干砂為存儲(chǔ)介質(zhì),其密度為1600kg/m3,內(nèi)摩擦角為,砂與筒壁間摩擦系數(shù)μ=0.35。該鋼筒倉(cāng)幾何模型如圖1所示,筒倉(cāng)直徑為6800mm,直筒段高度為15600mm,錐段高度為4850mm,錐角為69.1°。筒倉(cāng)為槽鋼箍和鋼板焊接結(jié)構(gòu),筒倉(cāng)壁厚由上至下依次為5、6、8和10mm,槽鋼箍為槽鋼20a;筒體由均布于φ6800圓周上的8根高7650mm、直徑φ426mm×12的焊接鋼管支柱支承,支柱間斜撐為DN125×4焊接鋼管,為保證筒倉(cāng)出口螺旋安裝,底層兩面無(wú)斜撐。
圖1 鋼筒倉(cāng)幾何模型
鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要求計(jì)算以下主要荷載:重力荷載、物料荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等。
重力荷載包括:結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重等,可通過(guò)ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算,重力加速度取g=9.8m/s2。
根據(jù)GB/T 50322-2001《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,圓形筒倉(cāng)根據(jù)貯料高徑比的不同,分為深倉(cāng)和淺倉(cāng):當(dāng)h/d>1.5時(shí)為深倉(cāng);當(dāng)h/d≤1.5時(shí)為淺倉(cāng)(h為貯料高度,d為圓形筒倉(cāng)內(nèi)徑)。
本例中筒倉(cāng)h=15.6m,d=6.8m,h/d=2.5,屬于深倉(cāng)結(jié)構(gòu)。
滿荷載時(shí),鋼筒倉(cāng)主要承受貯料的法向側(cè)壓力以及切向摩擦力的作用,貯料載荷分布按深倉(cāng)形式施加。
2.2.1 筒倉(cāng)直段壓力計(jì)算
筒倉(cāng)直段壓力分為徑向壓力和軸向摩擦力,具體計(jì)算方法如下:
(1)徑向壓力計(jì)算
式中:Ph為貯料對(duì)鋼倉(cāng)壁的水平壓力,Pa;Cb為貯料水平壓力修正系數(shù);ρ為鋼倉(cāng)的水平水力半徑;γ貯料的重力密度;μ貯料和鋼倉(cāng)壁間的摩擦系數(shù);k側(cè)向壓力系數(shù),k=0.22;s為貯料錐體重心至所計(jì)算截面處的距離,m。
查表,并計(jì)算得:
(2)豎向摩擦壓力計(jì)算
深度s處的豎向Pf為:
2.2.2 錐段壓力計(jì)算
式中:h為貯料計(jì)算高度。
(1)錐段法向壓力計(jì)算
式中:a為錐段與水平夾角,a=55.4°;Cv豎向壓力修正系數(shù),Cv=1.3。
(2)錐段切向壓力計(jì)算
根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載為:
式中:wk為風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βz為豎向高度處的風(fēng)振系數(shù);μs為筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的體型系數(shù);μz風(fēng)壓高度的變化系數(shù),按B類地區(qū)考慮;w0基本風(fēng)壓值,按12級(jí)臺(tái)風(fēng)考慮。
豎向高度z處的風(fēng)振系數(shù)為:
筒倉(cāng)所受地震荷載參照NBT47003.2-2009《固體料倉(cāng)》計(jì)算,場(chǎng)地類別按Ⅱ類選取,選7級(jí)抗震設(shè)防烈度,由于水平震波對(duì)設(shè)備破壞最大,故設(shè)計(jì)時(shí)按水平地震波計(jì)算。
筒倉(cāng)總水平地震作用力:
式中:a1為地震影響系數(shù),a1=0.08??;meq為料倉(cāng)等效總質(zhì)量,kg;g為重力加速度,g=9.8m/s2。
鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材,材料密度ρ=7800kg/m3,屈服強(qiáng)度σs=235MPa,安全系數(shù)取1.5,許用應(yīng)力 [σ]=156.7MPa, 彈 性 模 量 E=2.06×105MPa, 泊 松 比μ=0.3。
鋼筒倉(cāng)有限元模型如圖2所示,倉(cāng)體采用采用Shell181單元,支承采用Beam188單元,倉(cāng)體與支承之間采用MPC方式連接,總單元數(shù)101063,節(jié)點(diǎn)數(shù)101286。筒倉(cāng)立柱與地面相連點(diǎn)采用固定約束,約束6個(gè)自由度。由于雪荷載等其他荷載對(duì)筒倉(cāng)力學(xué)性能影響較小,不予考慮,故計(jì)算時(shí)僅考慮筒倉(cāng)自重、貯料荷載、風(fēng)荷載和地震荷載。
鋼筒倉(cāng)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)滿載+風(fēng)荷載組合和滿載+地震荷載組合2種工況進(jìn)行計(jì)算。
圖2 鋼筒倉(cāng)有限元模型
從圖3位移云圖中可知,滿荷載對(duì)筒倉(cāng)直段下部筒壁影響較大,風(fēng)荷載造成局部筒壁向內(nèi)凹陷,下錐部變形亦較為明顯,局部外凸,但最大位移發(fā)生在筒倉(cāng)頂部,其值為5.163mm,小于設(shè)計(jì)許用值,符合設(shè)計(jì)使用要求。從分析結(jié)果可知,加強(qiáng)筒倉(cāng)直段底部(如增加豎筋等)可以取得較好效果。
圖3 滿載+風(fēng)載位移云圖
圖4 滿載+風(fēng)載應(yīng)力云圖
從圖4應(yīng)力云圖中可知,該工況下載荷對(duì)筒壁的應(yīng)力影響較小,而對(duì)支柱的應(yīng)力影響較大,最大應(yīng)力發(fā)生在筒倉(cāng)與支柱連接處,其值為170.55MPa,安全系數(shù) 為 1.38<1.5, 但從應(yīng)力云圖可知,應(yīng)力最大值區(qū)域小且過(guò)渡突變,該處為應(yīng)力集中區(qū),其余區(qū)域的應(yīng)力均小于85.87MPa,安全系數(shù)為2.74,符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。從分析結(jié)果可知,筒體與支柱連接處為薄弱處,設(shè)計(jì)及制作時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。
從圖5位移云圖中可以知,空筒倉(cāng)在承受風(fēng)荷載及地震載荷作用時(shí),整體變形趨勢(shì)與滿載+風(fēng)荷載基本一致,只是變形值增大,最大變形同樣發(fā)生在筒倉(cāng)頂部,其值為18.72mm,相比滿載+風(fēng)荷載工況增大13.56mm,但遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值,符合設(shè)計(jì)剛度要求。
圖5 滿載+風(fēng)荷載+地震荷載位移云圖
從圖6應(yīng)力云圖中可知,該工況下,風(fēng)荷載及地震載荷對(duì)直段筒壁的影響較小,而對(duì)筒倉(cāng)立柱與倉(cāng)體連接區(qū)域的影響較大,最大應(yīng)力發(fā)生在筒倉(cāng)立柱頂部與倉(cāng)體錐部的連接處,其值為251.5MPa,超過(guò)材料許用應(yīng)力極限。但從應(yīng)力云圖可知,最大應(yīng)力區(qū)域較小且過(guò)渡突變,該處為應(yīng)力集中區(qū),其余區(qū)域應(yīng)力均小于150MPa,安全系數(shù)為1.57,符合強(qiáng)度要求。
圖6 滿載+風(fēng)荷載+地震荷載應(yīng)力云圖
如圖7所示,立柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果X向、Y向“穩(wěn)定”強(qiáng)度均為88.01MPa,材料的抗壓強(qiáng)度為375MPa,安全系數(shù)為4.26,符合設(shè)計(jì)穩(wěn)定性要求。
圖7 立柱穩(wěn)定性計(jì)算表
總結(jié)以上2種工況有限元分析結(jié)果可知,在滿載+風(fēng)載、空載+風(fēng)荷載+地震載荷等2種工況載荷作用下,該鋼筒倉(cāng)的強(qiáng)度及剛度符合設(shè)計(jì)要求。該筒倉(cāng)立柱抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)為4.26,立柱穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。