某燒結配料室鋼料倉設計

摘 要：根據儲料的流動特性及圓鋼倉的受力特點，文章采用通用有限元計算軟件計算，給出了鋼料倉各部位的應力分布及受力特征，為設計同類型的圓料倉提供參考。

關鍵詞：燒結；鋼料倉；有限元分析；設計

引言[5]

筒倉結構廣泛應用于冶金行業中，1985年，《鋼筋混凝土筒倉設計規范（GBJ77-85）》[1]即發行，而鋼筒倉的應用還很有限。鋼筒倉結構在許多情況下比混凝土筒倉更為經濟， 目前世界上已建筒倉中大約一半為鋼筒倉。其中大部分為圓形筒倉，復雜的結構性能加上不合理的設計準則導致了許多鋼板筒倉的結構破壞。2001年我國頒布了《糧食鋼板筒倉設計規范》[2]，但此規范相比于實際的結構略顯簡單，尚存在一定差距。

不同的是，國外在鋼筒倉結構性能上進行了大量的研究。世界上第一本鋼筒倉設計規范-歐洲鋼結構設計規范之4.1：筒倉[3]，和J.Michal.Rotter的專著《圓形鋼筒倉設計指導》[4]等書，均給國內的設計人員帶來了極大的借鑒和指導作用。

根據歐洲筒倉荷載規范[5]的三種筒倉設計類別，對于冶金行業中常常出現的大于100噸容量的結構，建議采用薄膜理論計算殼體主要應力，并采用彎矩理論分析局部彎曲效應，或者采用有效的數值分析，如有限元分析方法。為此，文章采用有限元分析方法，對某筒倉結構進行了分析，以確定一個較為通用的標準，方便設計人員參考。

1 模型參數

筒倉形狀如圖一所示，其主要作用為儲存配料。筒倉底部半徑為1230mm，上部半徑3250mm，貯料密度為2.2t/m3。具體模型可參見設計圖紙。圖中，h0為貯料重心高度，h1為貯料邊緣，即筒倉初始受力位置。h2為變階位置。

圖1 筒倉模型

計算高度hn=h0-h2=8743mm-5548mm=3195mm

（h0-h2）/2R=0.49<1.5，為淺倉，且hn<15m，2R<10m，按國內鋼筒倉設計規范[2]，無需考慮上端筒壁的豎向摩擦力，因此，無需計算上端筒壁的受壓屈曲問題。

計算筒倉壁各部位受力：

重力密度：

內摩擦角

底部圓錐角度

查表得到

側壓力系數

堆料椎體重心高度

堆料椎體底部高度

計算各部位壓力及每一段作用力沿高度方向的變化斜率：

h1高度處法向壓力：

上端法向壓力斜率

變階處高度：

變階處法向壓力：

下段法向壓力斜率：

變階處切向壓力：

下段切向壓力斜率：

變階處法向壓力：

2 計算與分析

初始設計尺寸：筒倉壁厚度均為6mm

支座處：T型板厚16mm，周向板厚度10mm，徑向水平板厚度18mm，徑向豎直加勁板厚度18mm。

選用通用有限元分析軟件計算。模型采用殼單元和梁單元建立。

在模型上端開口處設置矩形截面加勁肋，下端出口處設置L型加勁肋。其中支座處進行了加強，劃分單元時在支座等應力集中部位進行了細化。整體及細部有限元模型如圖2。

圖2 筒倉整體和支座處有限元模型

對模型加載，分別提取模型上部，中段部位的MISES應力，如圖3～4所示：

圖3 筒倉上段應力 圖4 筒倉中段應力

筒壁最大應力113MPa，最大變形為1.83mm，滿足設計要求。支座處應力為214MPa，此處應力為應力集中產生，可以不予考慮。

3 結束語

文章采用選用貯寸2.2t/m3容重料的某個淺筒倉作為研究對象，用有限元軟件進行分析。根據鋼板筒倉荷載規范進行設計，分別提取了筒壁的上段，中部支座段，下部漏斗段的應力值，分析結果均滿足要求。支座處由于應力集中，應力較大，但可以不予考慮，整體結構是安全的，滿足設計要求。

針對其他貯料容重，可參照文章2.2t/m3相應折減。其他尺寸料倉設計也可參照此結構。

需要注意的是，文章所進行的分析均未考慮到結構在使用中會產生的腐蝕，施工工藝的不完善，結構殘余應力，溫度應力等的影響。設計人員在應用文章結論進行設計時需要考慮到這些影響而增加各部位鋼板厚度。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準.（GBJ77O85）.鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].北京，1986.

[2]中華人民共和國國家標準.（GB50322-2001）.糧食鋼板筒倉設計規范[S].北京，2001.

[3]ENV 1993-4-1. Eurocode 3：Design of steel structures，part 4-1：Silo[S].European Committee for Standadization，Brussels，1999.

[4]J.Michael.Rotter. Guide For The Economic Design Of Circular Metal Silos，New York： Spon Press，2001.

[5]Eurocode 1：Basis of design and actions on structures， Part 4：Actions in silos and tanks（ENV1991-4），Brussels，1999.

引言[5]

筒倉結構廣泛應用于冶金行業中，1985年，《鋼筋混凝土筒倉設計規范（GBJ77-85）》[1]即發行，而鋼筒倉的應用還很有限。鋼筒倉結構在許多情況下比混凝土筒倉更為經濟， 目前世界上已建筒倉中大約一半為鋼筒倉。其中大部分為圓形筒倉，復雜的結構性能加上不合理的設計準則導致了許多鋼板筒倉的結構破壞。2001年我國頒布了《糧食鋼板筒倉設計規范》[2]，但此規范相比于實際的結構略顯簡單，尚存在一定差距。

不同的是，國外在鋼筒倉結構性能上進行了大量的研究。世界上第一本鋼筒倉設計規范-歐洲鋼結構設計規范之4.1：筒倉[3]，和J.Michal.Rotter的專著《圓形鋼筒倉設計指導》[4]等書，均給國內的設計人員帶來了極大的借鑒和指導作用。

根據歐洲筒倉荷載規范[5]的三種筒倉設計類別，對于冶金行業中常常出現的大于100噸容量的結構，建議采用薄膜理論計算殼體主要應力，并采用彎矩理論分析局部彎曲效應，或者采用有效的數值分析，如有限元分析方法。為此，文章采用有限元分析方法，對某筒倉結構進行了分析，以確定一個較為通用的標準，方便設計人員參考。

1 模型參數

筒倉形狀如圖一所示，其主要作用為儲存配料。筒倉底部半徑為1230mm，上部半徑3250mm，貯料密度為2.2t/m3。具體模型可參見設計圖紙。圖中，h0為貯料重心高度，h1為貯料邊緣，即筒倉初始受力位置。h2為變階位置。

圖1 筒倉模型

計算高度hn=h0-h2=8743mm-5548mm=3195mm

（h0-h2）/2R=0.49<1.5，為淺倉，且hn<15m，2R<10m，按國內鋼筒倉設計規范[2]，無需考慮上端筒壁的豎向摩擦力，因此，無需計算上端筒壁的受壓屈曲問題。

計算筒倉壁各部位受力：

重力密度：

內摩擦角

底部圓錐角度

查表得到

側壓力系數

堆料椎體重心高度

堆料椎體底部高度

計算各部位壓力及每一段作用力沿高度方向的變化斜率：

h1高度處法向壓力：

上端法向壓力斜率

變階處高度：

變階處法向壓力：

下段法向壓力斜率：

變階處切向壓力：

下段切向壓力斜率：

變階處法向壓力：

2 計算與分析

初始設計尺寸：筒倉壁厚度均為6mm

支座處：T型板厚16mm，周向板厚度10mm，徑向水平板厚度18mm，徑向豎直加勁板厚度18mm。

選用通用有限元分析軟件計算。模型采用殼單元和梁單元建立。

在模型上端開口處設置矩形截面加勁肋，下端出口處設置L型加勁肋。其中支座處進行了加強，劃分單元時在支座等應力集中部位進行了細化。整體及細部有限元模型如圖2。

對模型加載，分別提取模型上部，中段部位的MISES應力，如圖3～4所示：

筒壁最大應力113MPa，最大變形為1.83mm，滿足設計要求。支座處應力為214MPa，此處應力為應力集中產生，可以不予考慮。

3 結束語

文章采用選用貯寸2.2t/m3容重料的某個淺筒倉作為研究對象，用有限元軟件進行分析。根據鋼板筒倉荷載規范進行設計，分別提取了筒壁的上段，中部支座段，下部漏斗段的應力值，分析結果均滿足要求。支座處由于應力集中，應力較大，但可以不予考慮，整體結構是安全的，滿足設計要求。

針對其他貯料容重，可參照文章2.2t/m3相應折減。其他尺寸料倉設計也可參照此結構。

需要注意的是，文章所進行的分析均未考慮到結構在使用中會產生的腐蝕，施工工藝的不完善，結構殘余應力，溫度應力等的影響。設計人員在應用文章結論進行設計時需要考慮到這些影響而增加各部位鋼板厚度。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準.（GBJ77O85）.鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].北京，1986.

[2]中華人民共和國國家標準.（GB50322-2001）.糧食鋼板筒倉設計規范[S].北京，2001.

[3]ENV 1993-4-1. Eurocode 3：Design of steel structures，part 4-1：Silo[S].European Committee for Standadization，Brussels，1999.

[4]J.Michael.Rotter. Guide For The Economic Design Of Circular Metal Silos，New York： Spon Press，2001.

[5]Eurocode 1：Basis of design and actions on structures， Part 4：Actions in silos and tanks（ENV1991-4），Brussels，1999.