孔令國

摘 要 在對鋼筒倉多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，文章對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出了較為簡潔的設(shè)計方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行了三維計算分析，對多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉；多出料口；設(shè)計方案；優(yōu)化分析

中圖分類號：TU393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉作為一種立式倉庫容器，主要用于儲存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉相比，其優(yōu)點有造價點、施工簡便、構(gòu)造簡單等。鋼筒倉的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉的倉壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉，極小的外部干擾就會引起變形屈曲，例如，在物料儲存時，物料下滑過程中，倉壁可能會受到儲料的周向壓力與拉力，進而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對稱分布應(yīng)力的情形，筒倉局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強度設(shè)計值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉下面有4個出料口，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，漏斗倉壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計算來簡化結(jié)構(gòu)，但實際情況與計算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉、深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊進行的倉的研究規(guī)定，不可簡單的將此種情況定性為為深倉或淺倉的鋼結(jié)構(gòu)筒倉，本文在對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出較為簡潔設(shè)計方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)進行了三維有限元計算分析，得到的計算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉，倉內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉下部有4個出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉出料口處給4個振動給料機供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉，但是圓形漏斗的4個出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉中部標高▽13.100平面上，在安設(shè)4個座子在支撐梁上對鋼結(jié)構(gòu)筒倉做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計圖見圖2。

圖1 鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計圖 圖2 鋼筒倉優(yōu)化設(shè)計圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元計算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉結(jié)構(gòu)的計算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉是shell 63（彈性板單元），單元的特點有：彈性板中由6個自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動，有4個節(jié)點可以確定該單元。加勁肋及簡支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉的支撐平面，有限元分析時環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計算

鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計算時分別按10°和25°兩種情況計算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉有所不同，所以進行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動土壓力公式計算。實際上，筒倉中的貯料并不滿足主動土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉開始卸料，因為儲藏在倉內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動。因為截面的收縮率變大，在越往出口處，會出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯動，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時，分叉漏斗中部流動速度快，邊部流動速度慢，因此，考慮物料動態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計算，得到的結(jié)果為荷載標準值，按照極限承載能力狀態(tài)對鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強度的設(shè)計，這時要對基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉自重+倉蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉的強度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對結(jié)構(gòu)進行計算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因為鋼結(jié)構(gòu)倉的4個下部出口料工作時間上的差異，會出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時，鋼結(jié)構(gòu)筒倉存在偏壓情況。通過分析計算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉中出現(xiàn)3個出料口料滿與1個出料口孔料時，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉設(shè)計中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計量，造成實際情況與計算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉與深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊的倉研究，不可孤立的劃分為深倉或淺倉的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方案并利用有限元軟件進行三維計算，更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點是施工方便，受力簡潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉這種形狀的優(yōu)勢。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉加勁肋設(shè)計云圖

2）在工藝設(shè)置時，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)。而對于多出口料的鋼倉，若設(shè)計為圓倉，倉內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉結(jié)構(gòu)設(shè)計上被較好的實現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻

[1]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010，27（6）.

[3]劉善維，唐瑞森.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)計算[J].起重運輸機械，2012（11）.

[5]北京金土木軟件技術(shù)公司，建筑標準設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.endprint

摘 要 在對鋼筒倉多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，文章對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出了較為簡潔的設(shè)計方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行了三維計算分析，對多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉；多出料口；設(shè)計方案；優(yōu)化分析

中圖分類號：TU393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉作為一種立式倉庫容器，主要用于儲存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉相比，其優(yōu)點有造價點、施工簡便、構(gòu)造簡單等。鋼筒倉的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉的倉壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉，極小的外部干擾就會引起變形屈曲，例如，在物料儲存時，物料下滑過程中，倉壁可能會受到儲料的周向壓力與拉力，進而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對稱分布應(yīng)力的情形，筒倉局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強度設(shè)計值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉下面有4個出料口，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，漏斗倉壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計算來簡化結(jié)構(gòu)，但實際情況與計算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉、深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊進行的倉的研究規(guī)定，不可簡單的將此種情況定性為為深倉或淺倉的鋼結(jié)構(gòu)筒倉，本文在對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出較為簡潔設(shè)計方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)進行了三維有限元計算分析，得到的計算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉，倉內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉下部有4個出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉出料口處給4個振動給料機供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉，但是圓形漏斗的4個出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉中部標高▽13.100平面上，在安設(shè)4個座子在支撐梁上對鋼結(jié)構(gòu)筒倉做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計圖見圖2。

圖1 鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計圖 圖2 鋼筒倉優(yōu)化設(shè)計圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元計算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉結(jié)構(gòu)的計算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉是shell 63（彈性板單元），單元的特點有：彈性板中由6個自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動，有4個節(jié)點可以確定該單元。加勁肋及簡支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉的支撐平面，有限元分析時環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計算

鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計算時分別按10°和25°兩種情況計算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉有所不同，所以進行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動土壓力公式計算。實際上，筒倉中的貯料并不滿足主動土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉開始卸料，因為儲藏在倉內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動。因為截面的收縮率變大，在越往出口處，會出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯動，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時，分叉漏斗中部流動速度快，邊部流動速度慢，因此，考慮物料動態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計算，得到的結(jié)果為荷載標準值，按照極限承載能力狀態(tài)對鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強度的設(shè)計，這時要對基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉自重+倉蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉的強度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對結(jié)構(gòu)進行計算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因為鋼結(jié)構(gòu)倉的4個下部出口料工作時間上的差異，會出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時，鋼結(jié)構(gòu)筒倉存在偏壓情況。通過分析計算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉中出現(xiàn)3個出料口料滿與1個出料口孔料時，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉設(shè)計中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計量，造成實際情況與計算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉與深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊的倉研究，不可孤立的劃分為深倉或淺倉的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方案并利用有限元軟件進行三維計算，更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點是施工方便，受力簡潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉這種形狀的優(yōu)勢。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉加勁肋設(shè)計云圖

2）在工藝設(shè)置時，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)。而對于多出口料的鋼倉，若設(shè)計為圓倉，倉內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉結(jié)構(gòu)設(shè)計上被較好的實現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻

[1]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010，27（6）.

[3]劉善維，唐瑞森.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)計算[J].起重運輸機械，2012（11）.

[5]北京金土木軟件技術(shù)公司，建筑標準設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.endprint

摘 要 在對鋼筒倉多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，文章對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出了較為簡潔的設(shè)計方案，根據(jù)散體力學(xué)理論，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行了三維計算分析，對多出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鋼筒倉；多出料口；設(shè)計方案；優(yōu)化分析

中圖分類號：TU393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0137-02

鋼筒倉作為一種立式倉庫容器，主要用于儲存粉狀或粒狀的松散無聊，在冶金、電力、水泥、糧食、煤炭等領(lǐng)域廣泛使用。與鋼筋混凝土式的土筒倉相比，其優(yōu)點有造價點、施工簡便、構(gòu)造簡單等。鋼筒倉的結(jié)構(gòu)為組合式旋轉(zhuǎn)薄殼式。其破壞準則與受理方式非常的復(fù)雜。受儲料引起的豎向摩擦力作用，鋼筒倉的倉壁極易出現(xiàn)破壞屈曲，稍微有缺陷就可能破壞鋼筒倉，極小的外部干擾就會引起變形屈曲，例如，在物料儲存時，物料下滑過程中，倉壁可能會受到儲料的周向壓力與拉力，進而發(fā)生局部應(yīng)力集中與非對稱分布應(yīng)力的情形，筒倉局部則可能出現(xiàn)破壞性屈曲，影響其功能發(fā)揮。相關(guān)資料顯示，在厚度轉(zhuǎn)變處，倉壁鋼板更容易出現(xiàn)突變，同時具有較高應(yīng)力水平，和穩(wěn)定臨界與強度設(shè)計值相當(dāng)接近。若鋼板本身具有缺陷，則降低其承載力，施加給鋼板的應(yīng)力水平大于了最大承載力，進而出現(xiàn)變形屈曲。

本文研究的鋼筒倉下面有4個出料口，傳統(tǒng)設(shè)計是采用方變圓或者圓變方的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，漏斗倉壁鋼板在圓變方或者方變圓轉(zhuǎn)變處應(yīng)力極易產(chǎn)生突變，且應(yīng)力水平較高，而且對下料也不流暢，影響工藝要求，外形也不美觀，施工也很麻煩。此方案的方便之處在于，通過材料力學(xué)研究的桿件計算來簡化結(jié)構(gòu)，但實際情況與計算結(jié)果有很大出入，構(gòu)建在淺倉、深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊進行的倉的研究規(guī)定，不可簡單的將此種情況定性為為深倉或淺倉的鋼結(jié)構(gòu)筒倉，本文在對鋼筒倉多出料口設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出較為簡潔設(shè)計方案，不采用圓變方或方變圓，直接圓就是圓，方就是方的漏斗，形成連續(xù)的下料口，根據(jù)散體力學(xué)的理論，對料多出口鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)進行了三維有限元計算分析，得到的計算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。

1 工程概況

某電廠粉煤灰輸送系統(tǒng)中的圓形鋼灰倉，倉內(nèi)存煤粉，額定容量為250 t（800 m3），倉整體高17.9 m，最大直徑9 m，倉下部有4個出料口，出料口尺寸為￠325 mm，倉出料口處給4個振動給料機供料。鋼結(jié)構(gòu)筒倉全部用鋼板和型鋼焊接而成。鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)布置根據(jù)工藝上的要求鋼結(jié)構(gòu)筒倉選圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉，但是圓形漏斗的4個出料口由矩形鋼板分隔開，保證物料被均勻分散。為讓鋼結(jié)構(gòu)筒倉通暢出料，要保證漏斗鋼板傾角度>60°，確保物料不會集中。通過研究，將鋼結(jié)構(gòu)十字架設(shè)置在在鋼結(jié)構(gòu)筒倉中部標高▽13.100平面上，在安設(shè)4個座子在支撐梁上對鋼結(jié)構(gòu)筒倉做支撐，鋼筋混凝土柱子牛腿面受支撐梁的作用力。鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計方案圖見圖1，優(yōu)化設(shè)計圖見圖2。

圖1 鋼筒倉傳統(tǒng)設(shè)計圖 圖2 鋼筒倉優(yōu)化設(shè)計圖

2 模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)整體模型見圖3。

圖3 優(yōu)化的鋼筒倉結(jié)構(gòu)有限元計算模型圖

1）鋼結(jié)構(gòu)筒倉材料特性。型材或鋼板是制成鋼筒倉結(jié)構(gòu)的主要材料，以12 mm厚為倉壁直段鋼板，18 mm為漏斗頂部環(huán)梁直段鋼板，12 mm厚為倉壁傾斜段鋼板，Q235B鋼板材質(zhì)，E=210 GPa為彈性模量，0.3為泊松比，7.85×103kg/m?為密度。

2）單元選擇。圖3為鋼筒倉結(jié)構(gòu)的計算模型，分析其受力情況與結(jié)構(gòu)特性，做有限元分析時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)筒倉是shell 63（彈性板單元），單元的特點有：彈性板中由6個自由度構(gòu)成單元的各節(jié)點，就也是沿著即繞著X、Y、Z軸移動也沿著X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動，有4個節(jié)點可以確定該單元。加勁肋及簡支梁均為線單元。

3）約束。中間一道環(huán)梁為主要的鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉的支撐平面，有限元分析時環(huán)梁與支撐梁連接處約束支座部位的X、Y、Z三個方向的線位移，結(jié)構(gòu)約束情況見圖3。

3 物料載荷計算

鋼筒倉鋼結(jié)構(gòu)筒倉內(nèi)存粉煤灰的物料特性：密度300 kg/m3，內(nèi)摩擦角由于受水汽影響變化較大，范圍為10°～25°計算時分別按10°和25°兩種情況計算。

1）物料靜載荷。多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉與單口出料鋼結(jié)構(gòu)的筒倉有所不同，所以進行分區(qū)域的研究，如圖4。文獻[1]中采用的側(cè)壓力系數(shù)是蘭金（Rankine）主動土壓力公式計算。實際上，筒倉中的貯料并不滿足主動土壓力的條件，其側(cè)壓力系數(shù)k一般都要大于蘭金值。

2）物料動態(tài)壓力修正系數(shù)。分叉漏斗橫截面呈現(xiàn)自上到下的逐漸變小，截面收縮率也由上到下快速增大。在氣流循環(huán)流動作用下，鋼結(jié)構(gòu)筒倉開始卸料，因為儲藏在倉內(nèi)的物料因引力作用，克服了摩擦力往下流動。在下流過程中，要重新排列顆粒，因原有的顆粒層面呈現(xiàn)下降不均勻狀態(tài)，以滿足界面收縮的變動。因為截面的收縮率變大，在越往出口處，會出現(xiàn)更大的顆粒間積壓錯動，粒流內(nèi)外摩擦力也快速加大，當(dāng)原有的顆粒層面受到一定程度破壞時，分叉漏斗中部流動速度快，邊部流動速度慢，因此，考慮物料動態(tài)壓力的超壓情況，結(jié)合《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》內(nèi)的規(guī)定，區(qū)域II的豎向壓力修正系數(shù)取2.0。

3）載荷組合。經(jīng)上述工作計算，得到的結(jié)果為荷載標準值，按照極限承載能力狀態(tài)對鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)建與連接做穩(wěn)定性與強度的設(shè)計，這時要對基本的荷載效應(yīng)組合加以考慮。DL：恒荷載（襯板自重+鋼結(jié)構(gòu)鋼倉自重+倉蓋自重），LD：活荷載（物料重量），荷載組合一：1.3LD+1.2DL，校核鋼結(jié)構(gòu)筒倉的強度；載荷組合二：LD+DL，校核鋼結(jié)構(gòu)鋼倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。

4 用有限元軟件sap2000對結(jié)構(gòu)進行計算

鋼結(jié)構(gòu)筒倉分叉處由于距離較近，為便于施工直接連于十字梁下翼緣下部，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要在外部均勻設(shè)置一定量的加勁板。因為鋼結(jié)構(gòu)倉的4個下部出口料工作時間上的差異，會出現(xiàn)物料的不均勻與滿倉物料分布均勻情況，當(dāng)物料不均勻分布時，鋼結(jié)構(gòu)筒倉存在偏壓情況。通過分析計算比較，鋼結(jié)構(gòu)筒倉中出現(xiàn)3個出料口料滿與1個出料口孔料時，情況則更為糟糕。依據(jù)載荷組合一，通過研究分析整個倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到，當(dāng)出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，發(fā)生在分料隔板頂部和角部和其對應(yīng)的加勁肋，見圖5，圖6，這兩部分成為結(jié)構(gòu)計算控制部分，應(yīng)力集中較為突出，而圓錐段斜鋼板應(yīng)力較小，應(yīng)力非常平緩，各部件工作應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力值，由荷載組合二計算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)局部變形是5 mm，不超過鋼結(jié)構(gòu)筒倉壁板變形的允許值。

5 結(jié)論

通過對優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)分析得出以下結(jié)論。

1）原有的鋼結(jié)構(gòu)筒倉設(shè)計中，通常把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為了材料力學(xué)上的桿件原理做計量，造成實際情況與計算結(jié)果的較大差異，在建構(gòu)在淺倉與深倉基礎(chǔ)上的規(guī)范手冊的倉研究，不可孤立的劃分為深倉或淺倉的多出料口鋼結(jié)構(gòu)筒倉而言，應(yīng)根據(jù)散體力學(xué)理論，采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方案并利用有限元軟件進行三維計算，更符合結(jié)構(gòu)的實際情況。通過分析我們可以看出，這種方案優(yōu)點是施工方便，受力簡潔，節(jié)約材料，直接美觀，而且應(yīng)力集中相對較少，下料光滑，沒有圓變方的突變，充分發(fā)揮圓倉這種形狀的優(yōu)勢。

圖4 物料壓力區(qū)域劃分示意圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)筒倉應(yīng)力云圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)筒倉加勁肋設(shè)計云圖

2）在工藝設(shè)置時，要考慮到鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在現(xiàn)有的工藝條件下，盡量的設(shè)計出圓形鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)。而對于多出口料的鋼倉，若設(shè)計為圓倉，倉內(nèi)部分物料區(qū)域結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，鋼結(jié)構(gòu)筒倉的結(jié)構(gòu)效果在直斜板分隔圓倉結(jié)構(gòu)設(shè)計上被較好的實現(xiàn)，另外，也存在合理的結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻

[1]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010，27（6）.

[3]劉善維，唐瑞森.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]吳位民，馬魁文，李勇.鋼結(jié)構(gòu)多出料口給配鋼結(jié)構(gòu)筒倉結(jié)構(gòu)計算[J].起重運輸機械，2012（11）.

[5]北京金土木軟件技術(shù)公司，建筑標準設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.endprint