鋼煤斗三維設計分析

周小歆 中海油石化工程有限公司 濟南 250010

鋼煤斗是煤化工、熱電廠常見的構筑物，屬于特種結構。目前設計中常用的設計方法是：依據GB50884[1]和《貯倉結構設計手冊》[2]將鋼煤斗分為幾個獨立部分進行計算，采用二維桿件獨立設計方法。由于沒有考慮整體的互相作用效果，實際中可能會出現過于保守或局部不安全的結果，存在安全隱患[3]。基于以上問題，本文介紹一種三維整體分析方法。

1 鋼煤斗三維整體計算方法

1.1 分析軟件

STAAD是一款基于三維有限元分析的結構計算軟件，優勢是： ① 分析各種非常規非標準類型的鋼結構；② 對于常見的鋼結構類型有快速參數化建模的特點；③ 可計算的荷載類型豐富；④ 半參數化、半手動化的建模分析方法相比通用的有限元軟件，可提高設計人員的工作效率[5]。

針對鋼煤斗的特點，用STAAD有限元分析軟件可用梁板單元來模擬，具體為用板單元來模擬鋼煤斗的壁板，用梁單元來模擬加勁肋[6]，同時，這種建模方式效率高、后期調整方便、計算速度快，也符合設計手冊和規范的要求。

1.2 三維整體計算方法

利用有限元分析軟件進行整體分析計算，該模型考慮壁板和加勁肋的整體作用效果，更接近實際的受力情況，可直觀展現整個結構的薄弱區域和相對保守區域[4]，對優化設計和保證整體結構安全是非常必要的，彌補了二維零散構件計算的不足，也是對手算的復核和補充。

2 鋼煤斗計算基本規定

2.1 荷載

計算鋼煤斗最重要的荷載是是貯料荷載。鋼煤斗一般設置在上煤除氧間廠房內，風荷載可忽略；地震力對鋼煤斗的影響較小，本文中不考慮地震力的作用。

貯料的物理特性參數可按表1的數值選用，并應考慮摩擦力。

表1 煤的物物理特性指標

鋼煤斗一般屬于淺倉。淺倉是指貯料計算高度hn與圓形倉內徑dn或與矩形倉的短邊bn之比小于1.5的鋼筒倉，貯料壓力計算簡圖見圖1。

圖1 受力圖示

(1)單位面積的豎向壓力標準值pVk計算見式1:

pvk=Cγs

(1)

式(1)中,C為卸料時的沖擊系數；γ為貯料重度；s為貯料頂面到計算截面的高度。

(2)任意深度處，單位面積的水平壓力標準值Phk計算見式(2)、式(3)：

Phk=kpvk

(2)

(3)

式(3)中,φ為貯料的內摩擦角。

(3)任意深度處，法向壓力標準值pnk見式(4)、式(5):

Pnk=ξpvk

(4)

ξ=cos2α+ktan2α

(5)

式(5)中,α為煤斗壁與水平面夾角。

2.2 變形規定

受彎構件的允許撓度見表2。

表2 受彎構件的容許撓度 (mm)

2.3 加勁肋布置規定

加勁肋的常見布置見圖2，具體規定可見貯倉結構設計手冊中相關規定要求。

圖2 加勁肋布置

3 工程實例

某工程上煤除氧間一雙出口矩形鋼煤斗，豎直段頂部固定在框架梁上。按照規定初步選用構件型號：水平加勁肋L200×125×16，間距900mm，豎向垂直加勁肋-150×12，壁板厚12mm。結構圖見圖3。

圖3 鋼煤斗結構圖

3.1 建立三維整體模型

(1)用板單元來模擬鋼煤斗的壁板。

(2)用梁單元來模擬加勁肋，不考慮加勁肋的偏心作用。

(3)煤斗豎直段頂部全約束剛性支座。

(4)荷載Hn/b=3.8/7=0.54<1.5，屬于淺倉。

參數：γ=13kN/m2，沖擊系數C=1.0，內摩擦角=30°，α=65°，貯料頂面為水平面，貯料裝至倉頂。

k=tan2(45-φ/2)=0.333，

ξ=cos2α+ksin2α=0.45

豎直段水平壓力梯形荷載最大值(s=3.8m)：Phk=krs=0.333×13×3.8=16.5 kN/m2,

斜壁法向壓力(頂部)(s=3.8m)：Pnk=rsξ=13×3.8×0.45=22.23 kN/m2,

斜壁法向壓力(底部)(s=7.0m)：Pnk=rsξ=13×7×0.45=40.95 kN/m2,

斜壁切向力：Ptk=Pvk(1-k)cosαsinα=rs(1-k)cosα×sinα,

斜壁頂切向力(s=3.8m)：Ptk=13×3.8×(1-0.333)×cos65°×sin65°=12.62 kN/m2,

斜壁底切向力(s=7.0m)：Ptk=13×7×(1-0.333)×cos65°×sin65°=23.25 kN/m2,

荷載組合1(計算最大應力)=1.3×自重+1.5×活載,

荷載組合2(計算位移)=1.0×自重+1.0×活載。

加載方式：板的法向壓力通過板單元靜水壓力荷載施加，斜壁切向力通過板整體壓強分段施加。

(5)有限元模型

計算模型的網格劃分由加勁肋的布置確定，因加勁肋間距已經較小且劃分的網格數量也滿足工程所需的計算精度要求，不再細分網格。

用于計算分析的有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

3.2 計算結果

針對重點關心的計算指標，滿足規范設計要求，本文只針對應力和位移計算結果進行分析。

在荷載組合1下，壁板的最大應力80MPa，出現在豎直段中部，詳見圖5，滿足要求。

圖5 應力圖

在荷載組合2下，壁板最大位移13.3mm，變形見圖6。

圖6 變形圖

3.3 應力、位移分析

分析不同壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大應力和最大位移的變化，分析統計的數據見表3、表4，繪制的變化圖見圖7、圖8。

表3 應力值 (MPa)

圖7 壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大應力的影響曲線

表4 最大位移(mm)

圖8 壁厚和水平加勁肋間距變化對鋼煤斗最大位移的影響曲線

根據上述數據和曲線得出以下規律：

(1)水平加勁肋間距越大，壁板應力越大；水平加勁肋間距在900mm～1200mm時，間距越小，壁板應力降低作用最明顯；水平加勁肋間距>1200mm或<900mm時，間距變化對應力影響較小。

(2)水平加勁肋間距越大，壁板位移越大；水平加勁肋間距>1200mm時，間距變化對壁板位移影響較大，水平加勁肋間距≤1200mm時，位移變化較小。

(3)壁厚越大，相應的應力和位移越小；壁厚>12mm時，壁厚對應力和位移影響較大，壁厚≤12mm時，壁厚對應力和位移的影響較小。

4 結語

本文結合工程實例對鋼煤斗進行三維有限元分析，得出以下結論：

(1)鋼煤斗三維有限元計算模型應考慮整體構件的相互作用，彌補二維平面計算的不足，針對較復雜的鋼煤斗時，應按兩種方法進行包絡設計，保證結構安全。

(2)設計中可調整壁板厚度和加勁肋間距來滿足規范要求。

(3)鋼煤斗在工程應用中可初步選擇壁板壁厚在12mm以下，大型鋼煤斗可根據初步計算結果分段采用不同厚度；水平加勁肋間距900mm～1200mm之間，再根據模型計算結構進行調整。