摘 要：根據(jù)儲(chǔ)料的流動(dòng)特性及圓鋼倉(cāng)的受力特點(diǎn)，文章采用通用有限元計(jì)算軟件計(jì)算，給出了鋼料倉(cāng)各部位的應(yīng)力分布及受力特征，為設(shè)計(jì)同類(lèi)型的圓料倉(cāng)提供參考。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)；鋼料倉(cāng)；有限元分析；設(shè)計(jì)

引言[5]

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)中，1985年，《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ77-85）》[1]即發(fā)行，而鋼筒倉(cāng)的應(yīng)用還很有限。鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在許多情況下比混凝土筒倉(cāng)更為經(jīng)濟(jì)， 目前世界上已建筒倉(cāng)中大約一半為鋼筒倉(cāng)。其中大部分為圓形筒倉(cāng)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性能加上不合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)致了許多鋼板筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)破壞。2001年我國(guó)頒布了《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，但此規(guī)范相比于實(shí)際的結(jié)構(gòu)略顯簡(jiǎn)單，尚存在一定差距。

不同的是，國(guó)外在鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)性能上進(jìn)行了大量的研究。世界上第一本鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范-歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范之4.1：筒倉(cāng)[3]，和J.Michal.Rotter的專(zhuān)著《圓形鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[4]等書(shū)，均給國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了極大的借鑒和指導(dǎo)作用。

根據(jù)歐洲筒倉(cāng)荷載規(guī)范[5]的三種筒倉(cāng)設(shè)計(jì)類(lèi)別，對(duì)于冶金行業(yè)中常常出現(xiàn)的大于100噸容量的結(jié)構(gòu)，建議采用薄膜理論計(jì)算殼體主要應(yīng)力，并采用彎矩理論分析局部彎曲效應(yīng)，或者采用有效的數(shù)值分析，如有限元分析方法。為此，文章采用有限元分析方法，對(duì)某筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以確定一個(gè)較為通用的標(biāo)準(zhǔn)，方便設(shè)計(jì)人員參考。

1 模型參數(shù)

筒倉(cāng)形狀如圖一所示，其主要作用為儲(chǔ)存配料。筒倉(cāng)底部半徑為1230mm，上部半徑3250mm，貯料密度為2.2t/m3。具體模型可參見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。圖中，h0為貯料重心高度，h1為貯料邊緣，即筒倉(cāng)初始受力位置。h2為變階位置。

圖1 筒倉(cāng)模型

計(jì)算高度hn=h0-h2=8743mm-5548mm=3195mm

（h0-h2）/2R=0.49<1.5，為淺倉(cāng)，且hn<15m，2R<10m，按國(guó)內(nèi)鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，無(wú)需考慮上端筒壁的豎向摩擦力，因此，無(wú)需計(jì)算上端筒壁的受壓屈曲問(wèn)題。

計(jì)算筒倉(cāng)壁各部位受力：

重力密度：

內(nèi)摩擦角

底部圓錐角度

查表得到

側(cè)壓力系數(shù)

堆料椎體重心高度

堆料椎體底部高度

計(jì)算各部位壓力及每一段作用力沿高度方向的變化斜率：

h1高度處法向壓力：

上端法向壓力斜率

變階處高度：

變階處法向壓力：

下段法向壓力斜率：

變階處切向壓力：

下段切向壓力斜率：

變階處法向壓力：

2 計(jì)算與分析

初始設(shè)計(jì)尺寸：筒倉(cāng)壁厚度均為6mm

支座處：T型板厚16mm，周向板厚度10mm，徑向水平板厚度18mm，徑向豎直加勁板厚度18mm。

選用通用有限元分析軟件計(jì)算。模型采用殼單元和梁?jiǎn)卧ⅰ?/p>

在模型上端開(kāi)口處設(shè)置矩形截面加勁肋，下端出口處設(shè)置L型加勁肋。其中支座處進(jìn)行了加強(qiáng)，劃分單元時(shí)在支座等應(yīng)力集中部位進(jìn)行了細(xì)化。整體及細(xì)部有限元模型如圖2。

圖2 筒倉(cāng)整體和支座處有限元模型

對(duì)模型加載，分別提取模型上部，中段部位的MISES應(yīng)力，如圖3～4所示：

圖3 筒倉(cāng)上段應(yīng)力 圖4 筒倉(cāng)中段應(yīng)力

筒壁最大應(yīng)力113MPa，最大變形為1.83mm，滿足設(shè)計(jì)要求。支座處應(yīng)力為214MPa，此處應(yīng)力為應(yīng)力集中產(chǎn)生，可以不予考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章采用選用貯寸2.2t/m3容重料的某個(gè)淺筒倉(cāng)作為研究對(duì)象，用有限元軟件進(jìn)行分析。根據(jù)鋼板筒倉(cāng)荷載規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別提取了筒壁的上段，中部支座段，下部漏斗段的應(yīng)力值，分析結(jié)果均滿足要求。支座處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力較大，但可以不予考慮，整體結(jié)構(gòu)是安全的，滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)其他貯料容重，可參照文章2.2t/m3相應(yīng)折減。其他尺寸料倉(cāng)設(shè)計(jì)也可參照此結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，文章所進(jìn)行的分析均未考慮到結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)產(chǎn)生的腐蝕，施工工藝的不完善，結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，溫度應(yīng)力等的影響。設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用文章結(jié)論進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到這些影響而增加各部位鋼板厚度。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GBJ77O85）.鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，1986.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GB50322-2001）.糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，2001.

[3]ENV 1993-4-1. Eurocode 3：Design of steel structures，part 4-1：Silo[S].European Committee for Standadization，Brussels，1999.

[4]J.Michael.Rotter. Guide For The Economic Design Of Circular Metal Silos，New York： Spon Press，2001.

[5]Eurocode 1：Basis of design and actions on structures， Part 4：Actions in silos and tanks（ENV1991-4），Brussels，1999.

引言[5]

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)中，1985年，《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ77-85）》[1]即發(fā)行，而鋼筒倉(cāng)的應(yīng)用還很有限。鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在許多情況下比混凝土筒倉(cāng)更為經(jīng)濟(jì)， 目前世界上已建筒倉(cāng)中大約一半為鋼筒倉(cāng)。其中大部分為圓形筒倉(cāng)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性能加上不合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)致了許多鋼板筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)破壞。2001年我國(guó)頒布了《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，但此規(guī)范相比于實(shí)際的結(jié)構(gòu)略顯簡(jiǎn)單，尚存在一定差距。

不同的是，國(guó)外在鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)性能上進(jìn)行了大量的研究。世界上第一本鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范-歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范之4.1：筒倉(cāng)[3]，和J.Michal.Rotter的專(zhuān)著《圓形鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[4]等書(shū)，均給國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了極大的借鑒和指導(dǎo)作用。

根據(jù)歐洲筒倉(cāng)荷載規(guī)范[5]的三種筒倉(cāng)設(shè)計(jì)類(lèi)別，對(duì)于冶金行業(yè)中常常出現(xiàn)的大于100噸容量的結(jié)構(gòu)，建議采用薄膜理論計(jì)算殼體主要應(yīng)力，并采用彎矩理論分析局部彎曲效應(yīng)，或者采用有效的數(shù)值分析，如有限元分析方法。為此，文章采用有限元分析方法，對(duì)某筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以確定一個(gè)較為通用的標(biāo)準(zhǔn)，方便設(shè)計(jì)人員參考。

1 模型參數(shù)

筒倉(cāng)形狀如圖一所示，其主要作用為儲(chǔ)存配料。筒倉(cāng)底部半徑為1230mm，上部半徑3250mm，貯料密度為2.2t/m3。具體模型可參見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。圖中，h0為貯料重心高度，h1為貯料邊緣，即筒倉(cāng)初始受力位置。h2為變階位置。

圖1 筒倉(cāng)模型

計(jì)算高度hn=h0-h2=8743mm-5548mm=3195mm

（h0-h2）/2R=0.49<1.5，為淺倉(cāng)，且hn<15m，2R<10m，按國(guó)內(nèi)鋼筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，無(wú)需考慮上端筒壁的豎向摩擦力，因此，無(wú)需計(jì)算上端筒壁的受壓屈曲問(wèn)題。

計(jì)算筒倉(cāng)壁各部位受力：

重力密度：

內(nèi)摩擦角

底部圓錐角度

查表得到

側(cè)壓力系數(shù)

堆料椎體重心高度

堆料椎體底部高度

計(jì)算各部位壓力及每一段作用力沿高度方向的變化斜率：

h1高度處法向壓力：

上端法向壓力斜率

變階處高度：

變階處法向壓力：

下段法向壓力斜率：

變階處切向壓力：

下段切向壓力斜率：

變階處法向壓力：

2 計(jì)算與分析

初始設(shè)計(jì)尺寸：筒倉(cāng)壁厚度均為6mm

支座處：T型板厚16mm，周向板厚度10mm，徑向水平板厚度18mm，徑向豎直加勁板厚度18mm。

選用通用有限元分析軟件計(jì)算。模型采用殼單元和梁?jiǎn)卧ⅰ?/p>

在模型上端開(kāi)口處設(shè)置矩形截面加勁肋，下端出口處設(shè)置L型加勁肋。其中支座處進(jìn)行了加強(qiáng)，劃分單元時(shí)在支座等應(yīng)力集中部位進(jìn)行了細(xì)化。整體及細(xì)部有限元模型如圖2。

對(duì)模型加載，分別提取模型上部，中段部位的MISES應(yīng)力，如圖3～4所示：

筒壁最大應(yīng)力113MPa，最大變形為1.83mm，滿足設(shè)計(jì)要求。支座處應(yīng)力為214MPa，此處應(yīng)力為應(yīng)力集中產(chǎn)生，可以不予考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章采用選用貯寸2.2t/m3容重料的某個(gè)淺筒倉(cāng)作為研究對(duì)象，用有限元軟件進(jìn)行分析。根據(jù)鋼板筒倉(cāng)荷載規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別提取了筒壁的上段，中部支座段，下部漏斗段的應(yīng)力值，分析結(jié)果均滿足要求。支座處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力較大，但可以不予考慮，整體結(jié)構(gòu)是安全的，滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)其他貯料容重，可參照文章2.2t/m3相應(yīng)折減。其他尺寸料倉(cāng)設(shè)計(jì)也可參照此結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，文章所進(jìn)行的分析均未考慮到結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)產(chǎn)生的腐蝕，施工工藝的不完善，結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，溫度應(yīng)力等的影響。設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用文章結(jié)論進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到這些影響而增加各部位鋼板厚度。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GBJ77O85）.鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，1986.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GB50322-2001）.糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，2001.

[3]ENV 1993-4-1. Eurocode 3：Design of steel structures，part 4-1：Silo[S].European Committee for Standadization，Brussels，1999.

[4]J.Michael.Rotter. Guide For The Economic Design Of Circular Metal Silos，New York： Spon Press，2001.

[5]Eurocode 1：Basis of design and actions on structures， Part 4：Actions in silos and tanks（ENV1991-4），Brussels，1999.