漏斗狀泥砂分離罐體有限元受力分析

高瑞琪， 張 倩， 徐 皓， 田卜元

（中國(guó)建筑第六工程局有限公司，天津 300451）

泥砂分離罐體是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)常見的結(jié)構(gòu)形式，由多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接組合而成，在保證自身穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)承受加工過程中材料和器械對(duì)罐體的沖擊荷載。目前，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)罐體的設(shè)計(jì)分析較少，大多基于標(biāo)準(zhǔn)化圖集，特別是對(duì)實(shí)體單元的有限元分析幾乎沒有。本文根據(jù)具體工程實(shí)例，建立有限元梁板單元模型，對(duì)泥砂分離罐體受力進(jìn)行分析驗(yàn)算，相關(guān)分析過程及結(jié)果可用于指導(dǎo)類似鋼結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計(jì)施工。

1 工程概況

深圳市吉華醫(yī)院項(xiàng)目引入泥砂分離技術(shù)對(duì)外運(yùn)土方進(jìn)行泥砂分離處理。

泥砂分離系統(tǒng)設(shè)置2 個(gè)泥砂分離罐，2 個(gè)罐體緊鄰布置。罐體為上部圓柱、下部圓錐的漏斗形；底部設(shè)有鋼管支撐，鋼管通過預(yù)埋鋼管與基礎(chǔ)相連；鋼管間連接槽鋼作為水平、斜向支撐。罐體的各部分焊接。泥水分離罐體總高度15 m，外徑9.55 m；上部圓柱為8 mm 厚鋼板，高度6 m；下部圓錐為10 mm 厚鋼板，高度5 m；底部由14根壁厚11 mm、直徑375 mm 的鋼管支撐；鋼管間水平支撐為16#槽鋼，斜向支撐為12#槽鋼。見圖1。

圖1 泥砂分離罐體結(jié)構(gòu)

2 模型建立

罐體上部圓柱和下部圓錐采用板單元進(jìn)行模擬（Shell），底部支撐鋼管、水平和斜向支撐槽鋼采用梁?jiǎn)卧˙eam）進(jìn)行模擬。按網(wǎng)格尺寸500 mm×500 mm，共劃分1 220 個(gè)板單元、760 個(gè)梁?jiǎn)卧Ｒ妶D2 和表1[1]。

表1 罐體模型材料參數(shù)

圖2 泥砂分離罐體有限元模型計(jì)算單元及網(wǎng)格劃分

罐體支撐鋼管通過預(yù)埋鋼管與基礎(chǔ)相連，因此將罐體模型的支柱下端進(jìn)行約束，U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0[2]。

3 驗(yàn)算荷載及工況

泥砂分離罐體的荷載包括自重、泥漿荷載和風(fēng)荷載。罐體自重自動(dòng)加載；內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量5 000 kg，以質(zhì)量點(diǎn)形式施加在模型上；罐體設(shè)計(jì)容積為555.5 m3，泥漿密度取1 100 kg/m3，罐體泥漿質(zhì)量為611 007.5 kg，罐體泥漿的重心坐標(biāo)為（0，0，10.234），以質(zhì)量點(diǎn)形式施加在模型上[3]，見圖3。

圖3 罐體泥漿及內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量施加

罐體風(fēng)荷載按現(xiàn)行規(guī)范[4]進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)要求抗8級(jí)風(fēng)，計(jì)算風(fēng)荷載

式中：P——風(fēng)荷載；

f——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，取0.611；

Vk——風(fēng)速，取21 m/s；

Ch——體型系數(shù)，取1；

Cs——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當(dāng)受風(fēng)中心至水面的垂直距離＜15 m時(shí)，取1.5。

風(fēng)荷載作用見圖4。

圖4 風(fēng)荷載作用

慣性力取重力加速度，即（0，0，g），g為9.8 m/s2。

對(duì)荷載條件進(jìn)行工況組合，工況1 按承載能力極限狀態(tài)采用基本組合，工況2 按正常使用極限狀態(tài)采用標(biāo)準(zhǔn)組合[5]。

4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)2 種工況下有限元計(jì)算模型結(jié)果進(jìn)行分析，工況1 下最大應(yīng)力點(diǎn)位于罐體下部圓錐部分支撐鋼管處，為52 MPa；工況2 下最大位移點(diǎn)位于罐體上部和外圍支撐鋼管處，為1.4 mm。見圖5和圖6。對(duì)結(jié)構(gòu)各單元的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)受壓桿件進(jìn)行校核，罐體結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。見表1和表2。

圖5 應(yīng)力

圖6 位移

表1 罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度MPa

表2 受壓桿件屈曲

5 結(jié)論

利用有限元計(jì)算軟件對(duì)罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，泥砂分離罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，在工程實(shí)踐中泥砂分離罐體使用效果良好，完成了設(shè)計(jì)功能。

本文通過軟件對(duì)大型高聳罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，為施工安全和泥砂分離系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保障，實(shí)踐表明本文計(jì)算結(jié)果是安全可靠的，可為工程常見的大型水泥罐和儲(chǔ)水罐等設(shè)計(jì)提供參考。