某電廠鋼煤斗結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

余友誼

廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530023

煤斗是火力發(fā)電廠的重要的構(gòu)筑物，設(shè)在主廠房的煤倉(cāng)間內(nèi)，經(jīng)輸煤棧橋運(yùn)至主廠房的煤就儲(chǔ)藏在這里，它屬于筒倉(cāng)類結(jié)構(gòu)，受力較為復(fù)雜。目前，針對(duì)煤斗還沒(méi)有專門(mén)的計(jì)算應(yīng)力和變形的公式，也沒(méi)有專業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范，一般參考《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500772-2003）、《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50322-2001）及《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL5022-93）。本文就印尼拉法基水泥公司自備電廠原煤斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和分析。

1 原煤斗荷載分析

煤斗的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。本例中的原煤斗采用的是鋼結(jié)構(gòu)，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，其具有自重輕、強(qiáng)度大、良好的塑性和韌性、變形能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500772-2003），h/d＜1.5，該煤斗的筒倉(cāng)屬于淺倉(cāng)，荷載按淺倉(cāng)計(jì)算。

采用鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件STAAD/CHINA 2005對(duì)原煤斗進(jìn)行有限元模擬。該原煤斗設(shè)計(jì)采用的是3個(gè)對(duì)稱的矩形漏斗，施工簡(jiǎn)單，應(yīng)力與變形分布均勻，受力較好。原煤斗斗壁厚12mm，計(jì)算時(shí)按10mm考慮，采用Q235B鋼板（泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa，密度為7.85× 103kg／m3）焊接而成；斗壁外側(cè)縱向用扁鋼（-10×100及-12×180）加強(qiáng)；橫向用角鋼（L80×10及L200×125×18）加強(qiáng)；斗壁底部四周均采用槽鋼（[20b和[18b）加強(qiáng)。

煤重度取γ=10kN/m3，內(nèi)摩擦角φ取30度。圖1為煤斗受力簡(jiǎn)圖。由圖上可知，煤斗內(nèi)壁上作用力分別有：煤粉在煤斗內(nèi)壁單位面積上的水平側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值ph、豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值pv、切向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值pt以及法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值pn。

圖1 煤斗受力簡(jiǎn)圖

以上作用力的計(jì)算公式如下：

pv=γs，其中γ為煤粉的重力密度，s為為貯料頂面至計(jì)算截面的距離；

ph=kγs，其中k為側(cè)壓力系數(shù)，本設(shè)計(jì)中k=tan2(45-φ/2)=1/3；

由上述公式可知，煤粉對(duì)斗內(nèi)壁的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值pv和水平側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值ph與s線性相關(guān)，切向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值pt以及法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值pn在與s線性相關(guān)的同時(shí)，還與下部漏斗的傾角α相關(guān)。

因?yàn)榘鍐卧獰o(wú)法直接施加切向面荷載，在此將切向面荷載換算為集中荷載施加于每片板單元的中心，集中荷載包括水平分量及豎向分量：Fx=Aptcosα，F(xiàn)y=Aptsinα。

根據(jù)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 500772--2003）對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，荷載組合取lc=1.2×自重+1.3×煤壓力；對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，荷載組合取lc=1.0×自重+1.0×煤壓力。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

受到煤粉的作用力會(huì)產(chǎn)生變形，必須對(duì)煤斗的所受的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并校核其強(qiáng)度和撓度。本例中原煤斗的模擬變形圖見(jiàn)圖2。由圖可知，需要對(duì)原煤斗斗壁、加勁肋中的扁鋼進(jìn)行應(yīng)力分析，并校核強(qiáng)度，而加勁肋中的角鋼有較大的彎曲變形，既需要校核強(qiáng)度，也需要校核撓度。

圖2 原煤斗變形圖

原煤斗應(yīng)力計(jì)算分為兩部分：斗壁Von Mises應(yīng)力和加勁肋應(yīng)力計(jì)算。其撓度計(jì)算也可分為斗壁與加勁肋的撓度計(jì)算。

2.1 斗壁Von Mises應(yīng)力

煤斗壁板按四邊固定板計(jì)算，

σ=6Mmax/γxt2≤fy，其中γx為塑性發(fā)展系數(shù)，fy為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，；Mmax為板內(nèi)最大彎矩。

圖3為斗壁Von Mises應(yīng)力圖，最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在漏斗部分。根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果，斗壁的最大應(yīng)力為61.938N/mm2小于極限應(yīng)力，滿足要求。

2.2 加勁肋應(yīng)力

按受彎構(gòu)件計(jì)算，σ=M/γxωnx≤fy，其中，M為跨中彎矩，ωnx為加勁肋截面抵抗矩。

圖3 斗壁Von Mises應(yīng)力圖

1）縱向加勁扁鋼應(yīng)力

計(jì)算時(shí)分兩組扁鋼，分別位于縱向立面（3個(gè)煤斗的正面）和橫向立面。計(jì)算得，縱向立面扁鋼（-12×180）中最大壓應(yīng)力為202.836N/mm2，最大拉應(yīng)力為159.773N/mm2；橫向立面扁鋼（-10×100）中最大壓應(yīng)力為203.361N/mm2，最大拉應(yīng)力為123.277N/mm2，均滿足要求。

2）加勁角鋼應(yīng)力

計(jì)算時(shí)分三組加勁角鋼，分別位于煤斗上部立方體內(nèi)壁、煤斗下部漏斗縱向立面和橫向立面。計(jì)算得，第一組角鋼（L80×10）中最大壓應(yīng)力為89.202N/mm2，最大拉應(yīng)力為77.717N/mm2；第二組角鋼（L200×125×18）中最大壓應(yīng)力為111.371N/mm2，最大拉應(yīng)力為112.01 N /mm2；第三組角鋼（L200×125×18）中最大壓應(yīng)力為125.431N/mm2，最大拉應(yīng)力為74.49 N /mm2，均滿足要求。

2.3 斗壁撓度計(jì)算

υ=βqka4/Et3≤[υ],其中β為塑性調(diào)整系數(shù)，a為為計(jì)算板塊之短邊邊長(zhǎng)，qk為計(jì)算深度處的平均水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值，E為鋼板彈性模量，t為壁厚。

2.4 加勁肋撓度計(jì)算

本例中的加勁肋變形主要需要校核三組加勁角鋼產(chǎn)生的彎曲變形。

撓度υ=5qkl4/385EIx≤[υ]，其中l(wèi)為加勁肋的計(jì)算長(zhǎng)度，Ix為加勁肋截面慣性矩。計(jì)算得第一組加勁角鋼的最大撓度為2.087mm，第二組角鋼的最大撓度為4.886mm，第三組角鋼的最大撓度為1.019mm，均滿足要求。

3 結(jié)論

鋼煤斗是大型火力發(fā)電廠主廠房一個(gè)重要的建筑物，本文結(jié)合工程實(shí)例不僅對(duì)鋼煤斗的荷載進(jìn)行充分的分析，并準(zhǔn)確計(jì)算了鋼煤斗的斗壁和加勁肋的截面選擇及撓度、強(qiáng)度核算，以上數(shù)據(jù)望能對(duì)推廣鋼煤斗在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用盡一份力.

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