鋼結構固體筒倉設計優化

徐利新

摘 要：本文從中小型火力發電廠常見的鋼結構筒倉設計的角度，從筒體壁厚，結構支撐點，加強圈梁，荷載組合，有限元分析驗證等方面提出了優化設計的建議。

關鍵詞：鋼結構；筒倉；設計；荷載組合；有限元；ST梁支撐梁支撐D

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.010

1 概 述

鋼結構筒倉結構廣泛應用于農業、礦業、化工、電力等諸多領域中，作者多年從事火力發電廠鍋爐輔機除灰工程設計，為除灰、渣、脫硫、補充床料等系統配套鋼結構筒倉，如飛灰倉，渣倉，石灰石粉倉，砂倉等。

此類筒倉一般容積大于15m3，設計壓力小于0.1Mp梁支撐。一般結構為圓筒形筒體，圓錐料斗結構，儲料容積從50-1000m3大小不等。筒體一般鋼板卷制，主體可以分體，倉體部分，鋼架，爬梯等部分組成。

2 設計優化

按照國內在筒倉設計規范進行設計，為在筒倉設計中貫徹執行國家政策，做到安全適用、技術先進、經濟合理，現從荷載組合，支撐結構及加強圈梁設計，筒體壁厚的設計， 錐料斗角度及倉頂坡度，有限元分析應力等方面談談設計優化建議。

2.1 荷載及組合

筒倉在設計時主要考慮以下載荷：

（1）料倉結構自重；（2）儲存物料重量；（3）倉頂及運轉層設備載荷；（4）地震及風載荷；（5）其它載荷（如：壓力，熱膨脹，檢修等）。

以上幾類載荷中絕對值最大的是儲存物料重量，它由儲料容積乘以堆積密度得到。但容積有筒倉的幾何容積，有效容積，最大儲料容積等幾個概念，取值不同，載荷會有10-20%左右的偏差。對支架梁柱的結構設計，會產生較大的影響。建議采用有效儲料容積（考慮可能最大儲料機率）。另外，還有一個因素就是堆積密度。實際的堆積過程中可能有儲料高度較大，物料壓實的情況，實際堆密度會大于理論值。

在實際工程中，一些業主單位要求在計算結構受力，要求加大的物料的堆密度。對于荷載組合分項系數，G柱支撐50322-2001 糧食鋼板筒倉設計規范中對儲存物料的荷載1.3，其它可變荷載取1.4 ，地震作用取1.3 。風荷載參與組合時，組合情況述詳見相關標準。

2.2 支撐結構及加強圈梁設計

（1）工程實踐中，常見的料倉支撐于建筑物鋼架，或單獨設計支撐鋼架，如鋼灰庫是獨立鋼架，這類鋼架還要滿足運轉層設備布置，以及底層通車的要求。其支撐點的設計常見有，直接支撐于梁上或立柱端頭，內切和外切兩種。

同樣直徑的倉體，梁支撐結構倉體支撐于梁上，倉傳力于梁，梁傳力到柱。 柱支撐 結構倉體直接支撐于柱上，未經梁傳遞受力，柱間梁只起到穩定的作用。兩者相比優劣同在：

梁支撐結構跨距大，支撐梁受大彎矩，用鋼量大，但結構穩定性好，平臺寬，通車能力好。

柱支撐結構跨度小，受力結構好，用鋼量小，豎向穩定性稍差，平臺及通車小于梁支撐。

（2）另外倉體支撐座的形式也有多種結構可選，主要有裙座式，短裙座式，加強環耳式等。 在此推薦短裙座式支座，詳見見圖1具體結構，對于筒體錐體的連接，支撐受力形式，支撐靈活性應好于其它，詳述如下：序1為筒體第一層環板，序2為錐體板，序3為加強筋板，序4底部支撐環板，用于支撐鋼架粱或柱端。這個結構中序1.2.4之間形成了一個三角結構，結構穩定，序1通過序4傳力于梁或柱。序2與序1之間密封焊接，結構受力可有可靠保證，序1、2之間焊接要求，比圖2可以降低很多。同時序1受側彎的受力前者也要小很多，設計壁厚同樣可以降低。

2.3 筒體壁厚的設計

按N柱支撐/T47003.2-2009圓筒的應力計算，分軸向應力，周向應力兩類，軸向主要有設計壓力產生的軸向應力，物料與倉殼間磨擦產生的軸向應力，最大彎矩產生的軸向應力，倉殼自重及垂直地震力產生軸向應力。 圓周應力主要由物料產生的水平壓力應力。通過軸向，圓周向兩類應力的組合來驗證倉殼應力是否設計允許范圍內。根據筒體根據儲料的高度不同，筒體所受力是變化的，越是底部受力越大，所以在設計筒體壁厚，變壁厚設計是比較合理的，也就是在筒底部倉壁厚按設計取相應大值，而到上筒體上部，壁厚逐漸變薄，在不同壁厚環焊接縫連接處，通過過渡坡口，使焊接處壁厚一致，確保不出現應力集中的現象，確保焊接質量及結構強度。通過變壁厚設計，更符合實際的受力，同時也節省了鋼材。

2.4 錐料斗角度及倉頂坡度

錐料斗的角度直接關系筒倉卸料的順暢，理論上應按物料的物理特性設計，主要考慮物料粘性，物料的安息角，有無氣化等輔助破拱措施在來確認，錐壁與水平面夾角，理論上不小于60度。在料斗下空間允許的情況下，提高到65度 。

室外料倉倉頂應考慮排水坡度，因倉頂一般要布置除塵器等設備，坡度不宜過大，建議取2-3% 。

2.5 有限元分析驗證

通過學習N柱支撐/T47003.2-2009可知，要想完整的計算一個料倉各處有受力，其實是不太可能的。規范也僅提供了主要筒體及錐體板的計算，對于支座的受力則相對復雜。

在有限元分析以及結構設計軟件的日益豐富，以前手算難以解決的一些問題，可以由計算機得以模似實現，下面通過ST梁支撐梁支撐D PRO 軟件的應力，來說明在筒倉設計中的應用。

建模。通過設計計算或參考資料，第一步按實際尺寸及結構設計，用軟件制作結構模型；第二步，設定各梁，柱，板材料及截面尺寸與實際結構一致；第三步，施加載荷，包括，結構自重，物料重，各層設備重，風，地震載荷以及荷載組合；第四步，軟件計算，輸出設計結果，包括各點位移，梁，板單元應力等等；第五步，運用軟件的另一模塊SSDD，用普鋼（G柱支撐50017-2003）進行規范檢驗，確認各梁，柱的應力，變形，穩定性情況符合規范；第六步，驗證后輸出報告，含支座反力，各梁，板單元應力，位移等所需信息。

3 結語

以上為個人在實際料倉設計中的一些總結及體會，有不對的地方提請同行批準指正。