鄒冰川

(中國煤炭科工集團北京華宇工程有限公司，河南平頂山 467000)

0 引言

出于對儲煤斗容積率的優(yōu)化要求和由于布置設(shè)備受到限制等原因，常常能夠看到異型鋼煤斗在火力發(fā)電廠中使用。由于結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則導(dǎo)致鋼煤斗局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中，也會導(dǎo)致較大的撓曲變形［1，2］，設(shè)計時只能借鑒《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》［3］和《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》［4］。由于有限元軟件的出現(xiàn)，可以通過對鋼煤斗進(jìn)行有限元分析，得到鋼煤斗在荷載作用下的受力性能，能夠更好的指導(dǎo)設(shè)計。本文通過ANSYS有限元分析，論證支撐高度對異型雙漏斗鋼煤斗受力性能的影響。

圖1 異型煤斗結(jié)構(gòu)布置圖

1 鋼煤斗結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)有工程因設(shè)備給煤機布置要求出煤口應(yīng)為矩形且出煤口中心距僅3 m，又因?qū)τ趶S房容積率的優(yōu)化要求以及因為工藝設(shè)備布置限制等原因形成了此異型雙漏斗型鋼煤斗。結(jié)構(gòu)方案見圖1，入煤口為7．8 m×8 m，倉壁高4．6 m，漏斗高11 m，下煤口為1 m的方形口。在倉壁四周用16根豎向加勁肋當(dāng)做支承。選用Q235鋼材，其結(jié)構(gòu)形式和加勁肋布置情況如圖1所示。

2 模型的建立與參數(shù)選取

2．1 模型建立

煤斗壁和加勁肋使用不同的單元模擬，模擬煤斗壁時選用Shell63單元，用Beam188單元建立煤斗壁上的加勁肋。由于模型信息能夠通過修改實常數(shù)更改，較為方便。有限元模型如圖2所示。

2．2 約束和荷載

在豎向加勁肋支撐低端施加全部約束，按剛性節(jié)點考慮。

根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)煤斗H/b＜1．5時可以分為淺倉，儲料的密度r=1．3×103kg/m3，內(nèi)摩擦角為40°，摩擦系數(shù)為0．35，沖擊影響系數(shù)取1。

在儲料作用下，鋼煤斗所受荷載分為三類，如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 儲料壓力荷載分布圖

1)作用在倉壁上單位面積的水平側(cè)壓力:

其中，K 為側(cè)壓力系數(shù)，K=tan2(45°－40°/2)。

2)作用在倉壁上單位面積的切向應(yīng)力:

3)作用于倉筒內(nèi)壁單位面積上的法向壓力:

由公式可以看出鋼煤斗內(nèi)壁水平側(cè)壓力的值隨高度s變化，而漏斗內(nèi)壁切向應(yīng)力和法向應(yīng)力的值與高度s以及漏斗壁板的傾角α的三角函數(shù)有關(guān)。在有限元程序ANSYS中采用APDL參數(shù)化語言施加Pt和Pn可以很容易實現(xiàn)。

3 計算結(jié)果分析

《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［5］要求，鋼煤斗壁厚不應(yīng)選取小于10 mm的板，實際取值應(yīng)比理論計算值多2 mm。通過以往煤斗計算結(jié)果及本工程試算分析，壁厚計算一般取12 mm能夠滿足要求。本文通過ANSYS分析比較12 mm的壁厚在材料非線性，同時考慮材料和幾何非線性兩種情況下來分析不同支撐高度對煤斗的影響。整理的結(jié)果如表1，表2所示。加大而減小，變形卻隨著支撐高度的增加而增大，但是增加和減小的幅度很小。煤斗整體的最大應(yīng)力位置在隨高度變化的時候均未變化，位于汽機房側(cè)漏斗出煤口處。煤斗壁的最大變形位于汽機房和鍋爐側(cè)漏斗第二根加勁肋和第三根加勁肋之間。加勁肋的最大應(yīng)力位于鍋爐房和擴建端第四根加勁肋相交接的位置。加勁肋最大變形位于鍋爐房漏斗第三根加勁肋處。

表1 Q235考慮材料非線性

表2 Q235考慮材料非線性和幾何非線性

考慮材料非線性和幾何非線性，煤斗壁的最大應(yīng)力隨著支撐高度的增加而減小，并且最大應(yīng)力的位置發(fā)生變化。支撐高度小于1 900 mm時最大應(yīng)力發(fā)生在鍋爐房側(cè)上部倉壁和下部漏斗交接處，支撐高度大于2 280 mm時最大應(yīng)力發(fā)生在下部出煤口處。煤斗壁的變形隨著支撐高度的增加而增大，最大變形位置位于汽機房和鍋爐側(cè)漏斗第二根加勁肋和第三根加勁肋之間。加勁肋的最大應(yīng)力隨著支撐高度的增加而減小，出現(xiàn)在鍋爐房和擴建端，第四根加勁肋相交接的位置。隨著支撐高度的增加，加勁肋的變形逐漸變大，最大變形位于鍋爐房漏斗第三根加勁肋處。

4 結(jié)語

從以上分析中可以得出如下結(jié)論:

1)對于異型鋼煤斗，考慮材料非線性時支撐高度對其影響很小，但同時考慮材料和幾何非線性支撐高度的變化不僅對其最大應(yīng)力產(chǎn)生比較明顯的變化，而且最大應(yīng)力的位置也會隨著支撐高度的變化而改變。

2)當(dāng)同時考慮材料非線性和幾何非線性的時候，支撐高度小于1 900 mm時最大應(yīng)力發(fā)生在鍋爐房側(cè)上部倉壁和下部漏斗交接處，支撐高度大于2 280 mm時最大應(yīng)力發(fā)生在下部出煤口處。

3)在考慮了幾何和材料非線性后，對于支撐高度在1 267 mm以下的情形影響較大，其最大應(yīng)力比考慮材料非線性時候的應(yīng)力增大了19%左右。

4)煤斗的最大變形，對于兩種情況最大變形都出現(xiàn)在煤斗壁上，隨著支撐高度的增加變形有增大的趨勢。但是對于最大變形的影響比較小，變形最大值為17．679 mm，滿足《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的要求。加勁肋的最大變形為13．825 mm，同樣滿足要求。

［1］ 杜新喜，施 浩，范振中，等．鋼煤斗有限元結(jié)構(gòu)分析的探討［J］．武漢大學(xué)學(xué)報，2003，36(4):88-91．

［2］ 關(guān)富玲，翁雁麟，王小麗，等．鋼煤斗結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］．工程設(shè)計學(xué)報，2006，13(3):170-173．

［3］ GB 50077-2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］ 貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計編寫組．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．

［5］ DL 50022-93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］．