矩形鋼斗倉整體有限元結構分析

李　鵬

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京　100097)

矩形鋼斗倉整體有限元結構分析

李鵬

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京100097)

摘要:利用ANSYS和STAAD.Pro有限元分析平臺，對某電廠石灰石粉鋼斗倉進行了整體有限元結構分析，分析結果準確反映了斗倉倉體和加勁肋在最不利工況下的應力分布和變形規律，為鋼斗倉的設計提供了依據。

關鍵詞:鋼斗倉，STAAD.Pro，有限元分析，應力，加勁肋

0　引言

鋼倉一般在廠房內部作為小型緩沖倉使用，或作為大型鋼筋混凝土筒倉的漏斗使用。矩形鋼倉斗屬于特種鋼結構，其計算方法主要依據《貯倉結構設計手冊》，算術法計算耗時久，易出錯，精度低。本文以河南省林州市某電廠石灰石粉倉鋼斗倉為設計對象，利用ANSYS和STAAD.Pro兩款有限元分析平臺對鋼斗倉進行整體有限元分析，分析結果互相校對，提高計算結果的正確性和可靠性。

1　斗倉建模

為更高效的建模和計算，在ANSYS模型中使用殼體單元Shell163模擬倉壁(見圖1)，根據計算要求，不同高度區間內的倉壁壁厚不同。利用線單元Beam188模擬加勁肋，根據設計需要將Beam單元的截面修改成實際施工時的T形加勁肋，同時考慮到現場實際制造安裝的方便，將T形加勁肋水平布置，而并非垂直于斜面。在STAAD平臺下，選擇使用板單元建模(見圖2)，利用垂直的兩塊板來模擬T形加勁肋，同樣水平布置。

圖1　ANSYS面單元建模

圖2　STAAD板單元建模

同時為了完全模擬斗倉上端與混凝土支持梁構件的連接邊界條件，在斗倉頂部沿倉頂四周加設豎向倉壁板，將該L形板構件作為固定支座，并假設加勁肋，避免轉角處出現較大的應力集中。圖3中列出了該節點的實際形式和在不同計算平臺下的模型渲染效果。從圖3中可以看到通過調整Beam單元的屬性，將梁偏心至T形鋼底部與壁板連接，完整模擬實際效果。

圖3　斗倉頂部固定節點結構形式

2　荷載輸入

1)本倉體倉內貯料計算高度hn與矩形筒倉短邊bn之比為1＜1.5，所以劃分為淺倉。

2)貯料頂面以下距離s處，單位面積上的豎向壓力pv為: pv=ρs;作用于漏斗壁單位面積上的法向壓力pn=ξpv;漏斗壁切向壓力pt= pv( 1－k) sinαcosα;漏斗底面受豎向壓力pv;漏斗口四周倉壁受到水平壓力: ph= kρs;查表得石灰石內摩擦角φ=35°，根據GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉設計規范附錄D中的表D-1得到ξ=0.431，k =0.271。

3)為方便在ANSYS平臺下傾斜壁板的荷載輸入，利用法向面單元Surf154，將傾斜倉壁板上的荷載分為該面單元上的法向荷載pn和切向荷載pt。

而在STAAD平臺下可以直接輸入斜板上的豎向壓力pv和水平壓力ph。

3　有限元分析

將模型在兩個平臺下進行有限元分析，結果如圖4，圖5所示。

整體結果反映出兩平臺下的模型最大Von Mis值比較接近，應力分布情況也一致:最大應力集中在兩個方向斜壁板的交接楞上，這也是鋼板焊接處，因此在施工過程中必須保證該位置焊縫的質量。同時在固定端L形結構下方的鋼板應力也較大，此處為固定端到自由端的過渡區域，整個斗倉的荷載均傳遞至該位置，該區域的反角必須設置加勁肋，保護鋼板拼接焊縫。

圖4　斗倉整體應力云圖

圖5　斗倉整體變形位移圖

倉壁變形最大的區域并未位于倉斗較深的中下方，而是比較靠近斗倉入口處，因為此處的平面尺寸較大，可見倉斗邊長的尺寸的影響超過了壓強沿深度變化的作用。因此該區域的壁厚和加勁肋尺寸最大，強度最高。

圖6　斗倉入口局部應力云圖

通過觀察圖6模型局部應力云圖，能夠發現最大應力除了出現在斜楞處之外，最上方的T形加勁肋端部的翼緣也出現了較大應力。這是因為在ANSYS中的T形加勁肋用Beam單元模擬，Beam單元在交點處并沒有“斷開”，兩個方向的“線”共用交點，Beam單元在此處仍然連續，可以認為加勁肋為剛接。為了在STAAD模型中模擬出這種剛接效果，斜楞兩側垂直方向的兩T形加勁板用板單元相連，因此能看到接近入口處出現了最大應力作用點，最大應力就集中在連接兩側的連接板處。該連接板兩端的T形加勁肋在受力后將發生類似兩端固結的梁的彎曲變形，而連接板則成為受到負彎矩的支座，出現應力集中。這在實際使用中是不利的。因此在施工圖中并未設置這一連接板，T形加勁肋的兩端為自由端，變形為簡支梁的自由變形。T形加勁肋的作用是減少壁板板帶中部的變形，防止倉壁“鼓包”，而并非為了保護端部的壁板搭接段。

4　結語

1)本文利用ANSYS和STAAD.Pro兩大主流有限元分析平臺對矩形斗倉進行有限元分析，兩款平臺下的分析結果接近，分析結果可靠有效。

2)兩款平臺各有優劣。

ANSYS利用其強大的前處理系統，充分選用和發揮不同單元的特性，快速的利用面單元和線單元建立模型，并且網格劃分快捷，易操作。當然也可選用體單元精細建模，但建模和分析過程都比較耗時耗力，卻可避免出現T形加勁肋在端部剛接的效果。其缺點是荷載輸入不夠靈活，本文巧妙的利用法向面單元輔助完成這一過程。

而STAAD.Pro在前處理階段沒有強大的單元庫作為支撐，建模過程只能是由點圍面，建模過程時間長，效率低。在荷載輸入方面靈活易操作。后處理平臺也支持中國《鋼結構設計規范》檢驗，更加實用。

3)斗倉的應力最大處出現在兩個方向的斜板交接斜楞處，此外固定斗倉的托板與斜板起始段的銜接處也是應力較大的地方。而所有應力較大的地方卻都是用焊縫連接，因此對倉體的焊接必須嚴格要求，按照二級焊縫等級控制質量，并按鋼結構工程施工及驗收規范進行制作安裝驗收。安裝完畢后增設防磨層和保護焊縫用的鋼板，避免在機組運行使用過程中磨損焊縫，發生倉體損壞或者墜落等事故。

4)斗倉的變形最大處并不僅僅受到倉體深度影響，與倉體的平面尺寸或者直徑亦相關，甚至平面尺寸起控制作用。最大變形區域接近斗倉高度的1/5內，因此不能忽略靠近入口處的加勁肋的尺寸和倉體鋼板厚度。

5)斗倉斜板外側的T形加勁肋端部不應兩兩相互連接，只做自由端，完全釋放端部應力。

參考文獻:

［1］王秀逸，張平生.特種結構［M］.北京:地震出版社，1997.

［2］《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.

［3］GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設計規范［S］.

［4］張玉峰，朱前亮.雙漏斗型鋼煤斗有限元結構分析［J］.電力建設，2006，27( 2) :59-60.

Finite element structure analysis of rectangular steel hoper integrity

Li Peng
( Datang Environment Industry Group Co.，Ltd，Beijing 100097，China)

Abstract:Applying ANSYS and STAAD.Pro finite element analysis platform，the paper carries out integral finite element analysis for the integral steel hopper of the limestone of the power plant.The analysis results accurately reflects stress distribution and deformation law of the steel hopper and stiffening rib，which has provided some guidance for steel hopper design.

Key words:steel hopper，STAAD.Pro，finite element analysis，stress，stiffening rib

作者簡介:李鵬(1982-)，男，碩士，工程師

收稿日期:2015-11-22

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0034-02

中圖分類號:TU311.41

文獻標識碼:A