鋼煤斗三維設(shè)計分析

周小歆 中海油石化工程有限公司 濟南 250010

鋼煤斗是煤化工、熱電廠常見的構(gòu)筑物，屬于特種結(jié)構(gòu)。目前設(shè)計中常用的設(shè)計方法是：依據(jù)GB50884[1]和《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[2]將鋼煤斗分為幾個獨立部分進行計算，采用二維桿件獨立設(shè)計方法。由于沒有考慮整體的互相作用效果，實際中可能會出現(xiàn)過于保守或局部不安全的結(jié)果，存在安全隱患[3]?；谝陨蠁栴}，本文介紹一種三維整體分析方法。

1 鋼煤斗三維整體計算方法

1.1 分析軟件

STAAD是一款基于三維有限元分析的結(jié)構(gòu)計算軟件，優(yōu)勢是： ① 分析各種非常規(guī)非標準類型的鋼結(jié)構(gòu)；② 對于常見的鋼結(jié)構(gòu)類型有快速參數(shù)化建模的特點；③ 可計算的荷載類型豐富；④ 半?yún)?shù)化、半手動化的建模分析方法相比通用的有限元軟件，可提高設(shè)計人員的工作效率[5]。

針對鋼煤斗的特點，用STAAD有限元分析軟件可用梁板單元來模擬，具體為用板單元來模擬鋼煤斗的壁板，用梁單元來模擬加勁肋[6]，同時，這種建模方式效率高、后期調(diào)整方便、計算速度快，也符合設(shè)計手冊和規(guī)范的要求。

1.2 三維整體計算方法

利用有限元分析軟件進行整體分析計算，該模型考慮壁板和加勁肋的整體作用效果，更接近實際的受力情況，可直觀展現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域和相對保守區(qū)域[4]，對優(yōu)化設(shè)計和保證整體結(jié)構(gòu)安全是非常必要的，彌補了二維零散構(gòu)件計算的不足，也是對手算的復(fù)核和補充。

2 鋼煤斗計算基本規(guī)定

2.1 荷載

計算鋼煤斗最重要的荷載是是貯料荷載。鋼煤斗一般設(shè)置在上煤除氧間廠房內(nèi)，風荷載可忽略；地震力對鋼煤斗的影響較小，本文中不考慮地震力的作用。

貯料的物理特性參數(shù)可按表1的數(shù)值選用，并應(yīng)考慮摩擦力。

表1 煤的物物理特性指標

鋼煤斗一般屬于淺倉。淺倉是指貯料計算高度hn與圓形倉內(nèi)徑dn或與矩形倉的短邊bn之比小于1.5的鋼筒倉，貯料壓力計算簡圖見圖1。

圖1 受力圖示

(1)單位面積的豎向壓力標準值pVk計算見式1:

pvk=Cγs

(1)

式(1)中,C為卸料時的沖擊系數(shù)；γ為貯料重度；s為貯料頂面到計算截面的高度。

(2)任意深度處，單位面積的水平壓力標準值Phk計算見式(2)、式(3)：

Phk=kpvk

(2)

(3)

式(3)中,φ為貯料的內(nèi)摩擦角。

(3)任意深度處，法向壓力標準值pnk見式(4)、式(5):

Pnk=ξpvk

(4)

ξ=cos2α+ktan2α

(5)

式(5)中,α為煤斗壁與水平面夾角。

2.2 變形規(guī)定

受彎構(gòu)件的允許撓度見表2。

表2 受彎構(gòu)件的容許撓度 (mm)

2.3 加勁肋布置規(guī)定

加勁肋的常見布置見圖2，具體規(guī)定可見貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊中相關(guān)規(guī)定要求。

圖2 加勁肋布置

3 工程實例

某工程上煤除氧間一雙出口矩形鋼煤斗，豎直段頂部固定在框架梁上。按照規(guī)定初步選用構(gòu)件型號：水平加勁肋L200×125×16，間距900mm，豎向垂直加勁肋-150×12，壁板厚12mm。結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 鋼煤斗結(jié)構(gòu)圖

3.1 建立三維整體模型

(1)用板單元來模擬鋼煤斗的壁板。

(2)用梁單元來模擬加勁肋，不考慮加勁肋的偏心作用。

(3)煤斗豎直段頂部全約束剛性支座。

(4)荷載Hn/b=3.8/7=0.54<1.5，屬于淺倉。

參數(shù)：γ=13kN/m2，沖擊系數(shù)C=1.0，內(nèi)摩擦角=30°，α=65°，貯料頂面為水平面，貯料裝至倉頂。

k=tan2(45-φ/2)=0.333，

ξ=cos2α+ksin2α=0.45

豎直段水平壓力梯形荷載最大值(s=3.8m)：Phk=krs=0.333×13×3.8=16.5 kN/m2,

斜壁法向壓力(頂部)(s=3.8m)：Pnk=rsξ=13×3.8×0.45=22.23 kN/m2,

斜壁法向壓力(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,

斜壁頂切向力(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,

荷載組合1(計算最大應(yīng)力)=1.3×自重+1.5×活載,

荷載組合2(計算位移)=1.0×自重+1.0×活載。

加載方式：板的法向壓力通過板單元靜水壓力荷載施加，斜壁切向力通過板整體壓強分段施加。

(5)有限元模型

計算模型的網(wǎng)格劃分由加勁肋的布置確定，因加勁肋間距已經(jīng)較小且劃分的網(wǎng)格數(shù)量也滿足工程所需的計算精度要求，不再細分網(wǎng)格。

用于計算分析的有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

3.2 計算結(jié)果

針對重點關(guān)心的計算指標，滿足規(guī)范設(shè)計要求，本文只針對應(yīng)力和位移計算結(jié)果進行分析。

在荷載組合1下，壁板的最大應(yīng)力80MPa，出現(xiàn)在豎直段中部，詳見圖5，滿足要求。

圖5 應(yīng)力圖

在荷載組合2下，壁板最大位移13.3mm，變形見圖6。

圖6 變形圖

3.3 應(yīng)力、位移分析

分析不同壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大應(yīng)力和最大位移的變化，分析統(tǒng)計的數(shù)據(jù)見表3、表4，繪制的變化圖見圖7、圖8。

表3 應(yīng)力值 (MPa)

圖7 壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大應(yīng)力的影響曲線

表4 最大位移(mm)

圖8 壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大位移的影響曲線

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和曲線得出以下規(guī)律：

(1)水平加勁肋間距越大，壁板應(yīng)力越大；水平加勁肋間距在900mm～1200mm時，間距越小，壁板應(yīng)力降低作用最明顯；水平加勁肋間距>1200mm或<900mm時，間距變化對應(yīng)力影響較小。

(2)水平加勁肋間距越大，壁板位移越大；水平加勁肋間距>1200mm時，間距變化對壁板位移影響較大，水平加勁肋間距≤1200mm時，位移變化較小。

(3)壁厚越大，相應(yīng)的應(yīng)力和位移越??；壁厚>12mm時，壁厚對應(yīng)力和位移影響較大，壁厚≤12mm時，壁厚對應(yīng)力和位移的影響較小。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例對鋼煤斗進行三維有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)鋼煤斗三維有限元計算模型應(yīng)考慮整體構(gòu)件的相互作用，彌補二維平面計算的不足，針對較復(fù)雜的鋼煤斗時，應(yīng)按兩種方法進行包絡(luò)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)安全。

(2)設(shè)計中可調(diào)整壁板厚度和加勁肋間距來滿足規(guī)范要求。

(3)鋼煤斗在工程應(yīng)用中可初步選擇壁板壁厚在12mm以下，大型鋼煤斗可根據(jù)初步計算結(jié)果分段采用不同厚度；水平加勁肋間距900mm～1200mm之間，再根據(jù)模型計算結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。