圓筒煤倉倉壁受力特征研究

田 洲

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

圓筒煤倉作為儲存煤的容器，具有利于環保、占地少、卸料通暢、易于機械化操作等優點，在選煤廠應用非常普遍。隨著筒倉理論研究的深入和施工技術的提高，目前筒倉的直徑和容量都有了很大的提高，但是按照GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》[1](以下簡稱“筒規”)設計的筒倉在使用過程中出現裂縫、發生破壞的情況卻時有發生[2]。為提高筒倉的安全性和可靠性，保證生產的正常運行，對圓筒倉的受力特征進行深入研究十分必要。文章基于Janssen理論[3], 利用有限元SAP2000軟件建立模型，通過深入分析研究儲煤圓筒倉倉壁的受力機理，找出可能存在的安全隱患,以期為選煤廠圓筒煤倉設計提供參考。

1 工程概況及計算參數

研究以四川省煤炭產業集團有限責任公司石洞溝選煤廠原煤倉設計為例來進行說明。該選煤廠圓筒煤倉為混凝土結構，直徑(內徑)為15 m，高度為32.6 m；為筒壁和內柱共同支撐結構，筒壁、倉壁均采用250 mm厚C30混凝土，第1層設兩個車道(圖1)，在標高+10.475 m平面布置四個漏斗(圖2)，倉頂采用收口形式，倉上采用混凝土框架結構；抗震設防烈度為6度，結構設計基準周期為50年，設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為一級，結構重要性系數1.0。根據GB50359—2005《煤炭洗選工程設計規范》，原煤重力密度為11 kN/m3，內摩擦角為32°，摩擦系數(對混凝土板)為0.5；根據GB50583—2010《選煤廠建筑結構設計規范》規定,本地區風荷載W=0.4 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2。

圖1 首層平面布置圖

圖2 首層1-1剖面圖

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型的確定

根據儲煤圓筒倉的結構類型及受力特點，有限元單元的類型采用殼單元，本工程中殼單元為曲面，其薄膜應力和彎曲應力耦合具有平面內外的剛度，既能承受膜力，也能承受彎曲應力[4]。

2.2 材料屬性

本工程圓筒倉采用C30混凝土，根據GB50010—2010《混凝土結構設計規范》，彈性模量Ec=3.00×104N/mm2，抗壓強度fc=14.3 N/mm2，抗拉強度ft=1.43 N/mm2，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3。

2.3 有限元模型及荷載

對混凝土圓筒倉結構，采用有限元SAP2000軟件建立三維模型(圖3)，采用殼單元。對圓筒倉上部混凝土框架結構進行簡化，僅計入其質量[6]；圓筒倉基礎埋深較大，故首層底部視為嵌固端。

根據“筒規”，本工程圓筒倉為淺倉，故忽略沿倉壁周長總豎向摩擦力，作用于倉壁單位面積上的水平壓力成梯形分布，底部最大為64 kN/m2，上部環梁處最小為16 kN/m2，如圖4所示。

圖3 圓筒倉有限元模型

圖4 倉壁荷載示意圖

3 受力特征分析

3.1 動力特性

儲煤圓筒倉結構在地震作用下的動力響應情況不僅與儲煤荷載有關，同時與結構的動力特性有關[7]。結構的動力特性既能反映出結構本身整體剛度的大小和分配的均勻程度，也是結構動力設計中最重要的參數和其他各類動力學設計的基礎[8]。模態分析主要用于確定結構自身的動力特性，如固有頻率和各階陣型。混凝土圓筒倉結構前3階的自振頻率及陣型特征如表1所示。

表1 結構陣型頻率與陣型特征Table 1 Structural formation frequency and characteristics

由表1可以得出，該倉結構陣型特點為：①基頻適中，基本頻率為2.72 Hz，說明該結構剛度較大，利于結構抗震；②由結構前3階陣型可以看出，呈現平動、平動、扭轉的陣型分布特征，符合GB50011—2010《建筑抗震設計規范》的要求，結構以平面振動為主，體現了結構良好的動力特性，布置較合理。

3.2 受力特征分析

根據“筒規”計算得到儲煤水平壓力并施加于結構，得到倉壁的環向拉應力云圖，如圖5所示。由“筒規”計算公式ph=kγs(其中：ph為作用于倉壁單位面積上的水平壓力；k為側壓力系數；γ為儲料的堆密度；s為儲料錐體重心至所計算截面的距離)計算得到的倉壁環向拉應力ph和有限元分析得到的環向拉應力，繪制出倉壁環向主拉應力對比折線圖，如圖6所示。

圖5 倉壁環向主拉應力云圖

圖6 倉壁環向主拉應力對比圖

由“筒規”公式4.2.6-1計算得到的最大主拉應力出現在倉壁與環梁相交處，且隨著高度的增加呈線性分布；通過有限元計算得出最大主拉應力出現在儲料錐體重心至截面底部1/4處，并在頂部環梁處出現拉應力增大的突變；在儲料荷載作用下，環梁對倉壁的約束作用在儲料錐體重心至截面底部1/4范圍內明顯，使薄弱部位上移，有限元計算結果與實際儲煤倉易產生裂縫位置相符。

綜上分析，按“筒規”公式計算基本上能滿足工程需要，但對薄弱部位的判斷存在明顯不足之處，因此對于結構的薄弱環節，在工程設計中應注意予以加強。

4 結論

隨著選煤廠的大型化發展，選煤工業對儲煤圓筒倉的直徑和容量都提出了更高的要求，但是按照“筒規”設計的筒倉不能滿足實際工程的需要。為掌握倉壁的應力分布特征，本研究通過規范公式和有限元分析方法對圓煤倉倉壁的受力特征進行了分析，主要得出以下結論：

(1)按“筒規”公式4.2.6-1計算基本上能滿足工程需要，但對薄弱部位的判斷與實際受力狀態存在偏差。

(2)倉壁最大環向應力出現在儲料錐體重心至截面底部1/4處，在儲料荷載作用下，環梁對倉壁的約束作用在一定范圍內明顯。

(3)對圓筒倉倉壁進行有限元受力特征分析，可彌補傳統設計理論中無法考慮環梁與倉壁之間連接復雜對倉壁內力的影響，從而為選煤廠圓筒倉的設計提供了理論依據。

[1] GB50077—2003 鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].

[2] 周 云，宗 蘭，張文芳，等.土木工程抗震設計[M].北京：科學出版社，2005：83-84.

[3] 貯倉結構設計手冊編寫組. 貯倉結構設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1999： 109-112

[4] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院有限公司.SAP2000中文版使用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2006：40-41.

[5] GB-50010-2010 混凝土結構設計規范 [S].

[6] 郭宏盛，盛宏玉.倉頂對筒倉計算結果的影響分析[J].合肥工業大學學報，2012(7)：961-963.

[7] 田 洲，劉春艷.大跨度儲煤棚拱桁架結構抗震性能分析[J].選煤技術，2013(2)：16-18

[8] 張文芳，田 洲,李慶玲.晉祠舍利生生塔磚結構的地震破壞形態研究[J].工程抗震與加固改造，2011(3)：7-11.