梁志乾，趙建昌（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070）

歪嘴灰斗的靜力分析

梁志乾，趙建昌
（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070）

在一些實際工程中因使用功能的需求或已有設備的限制，灰斗做成歪嘴形。在手冊或規(guī)范中很少涉及針對歪嘴灰斗的計算及構造。為了明確歪嘴灰斗的受力與變形，通過對某電廠改造項目中歪嘴灰斗的有限元分析，計算在靜力荷載作用下歪嘴灰斗自身的變形、構件的應力和內力分布，得出歪嘴灰斗的受力特點。

歪嘴灰斗；靜力分析；SAP2000

除塵器作為重要的除塵設備，在火力發(fā)電廠、水泥廠等廣泛使用。對于一般的灰斗計算都是按照手冊推薦的方法或有限元法計算［1-3］，對于工程項目中遇到的一些特殊形狀的灰斗如歪嘴灰斗［4］，在計算手冊或相關規(guī)范中很少涉及到其受力特點及構造措施。對于這些特殊灰斗基本都是按對稱灰斗進行計算、采取構造措施，因兩者的變形及內力分布不同，使計算結果與實際受力不相符合［5］。

本文結合實際工程，采用結構通用有限元分析軟件SAP2000對單個矩形雙向交叉加勁肋的歪嘴灰斗在靜力荷載作用下自身的受力情況進行分析討論。

1 灰斗的構造要求與受力計算

1.1 灰斗的構造要求［6］

手冊中建議灰斗斜壁的傾角比貯料休止角大5°～10°，這樣有利于貯料在自重作用下卸出；當 an或bn=8 m～9 m；宜采用雙向型鋼加勁肋，并將前后兩面的垂直加勁肋連接起來（an、bn為灰斗大口處的長、寬尺寸）。

1.2 雙向交叉加勁肋灰斗的受力特點

雙向交叉加勁肋灰斗可按主次梁體系計算板壁和垂直加勁肋的彎矩。板壁雙向受彎并承受斜向拉力；垂直加勁肋僅承受板壁傳來的荷載引起的彎矩；水平加勁肋除承受相鄰側壁傳來的水平拉力；還承受板壁和垂直加勁肋傳來的法向荷載引起的彎矩。

1.3 灰斗的內力計算

斜壁任一水平截面單位寬度上的斜向力標準值Ni（kN/m）可按式（1）計算:

式中:αi為該斜壁與水平面的夾角；Nvi為該斜壁相應水平截面單位寬度上的豎向拉力。

2 有限元靜力分析

2.1 工程概況

該項為一電廠除塵器新增項目 ，由于原有支架及煙道的影響，新增除塵器的灰斗做成歪嘴型 ，見圖1。

灰斗大口:11.8 m×11.400 m，灰斗小口:2.6 m ×110.2 m，高度:3.72 m?；叶繁诓捎?δ=6 mm厚鋼板，外側水平方向為H型鋼（H294×200×8×12）做加勁肋，豎向采用角鋼（L100×63×8）做加勁肋，灰斗壁及加勁肋材料均為Q235鋼，其彈性模量: E=2.06×105N/mm2，泊松比:0.3，屈服強度:235 MPa，質量密度:7 850 kg/m3。灰斗前板與水平面夾角為32°；灰斗后板與水平面夾角為73°；灰斗左右側板與水平面夾角為81°。

圖1 灰斗CAD圖

2.2 有限元分析模型

灰斗是典型的板殼帶肋矩形斗倉結構，整個灰斗由前板、后板、左側板、右側板和底板組成，各板外表面焊有加勁肋。對該灰斗結構進行簡化，只保留灰斗的板壁、橫向加勁肋和垂直加勁肋。

采用板梁混合結構建立有限元模型。本模型用SAP2000中線單元中的框架單元FRAME來模擬灰斗的水平及垂直加勁肋，用面單元中的薄殼單元SHELL來模擬灰斗各壁板［7］。殼單元是3或4結點單元，包含獨立的膜和平面彎矩行為；殼單元每個連接節(jié)點上都有6個自由度，可承受力和彎矩［8］。

2.3 約束條件

灰斗上部與支架鋼梁等強度焊接，故灰斗上部取為固定約束［2，9］；灰斗下部支撐在底梁上，故灰斗下部約束豎向位移。建立符合實際情況的模型，見圖2。

圖2 灰斗實體模型

2.4 荷載取值及組合

灰斗的靜荷載包括灰斗自重、保溫層重量、負壓、灰荷載。灰斗自重根據(jù)材料特性與幾何特性軟件自動計算；保溫材料以恒載均布加在灰斗壁上，負壓值為1 000 Pa。

灰斗壁單位面積上的法向壓力標準值為:

式中:ξ為法向壓力系數(shù)，ξ=cos2α+ksin2α，α為灰斗壁與水平面夾角；pv為相應計算截面處的豎向壓力標準值，pv=C·γ·s，參數(shù)C為貯料瞬間直接卸入淺倉時的沖擊影響系數(shù)，詳見貯倉結構設計手冊；s為積灰頂面到計算截面的距離；粉煤灰重度8.0 kN/m3，粉煤灰其它物理參數(shù):摩擦角25°～30°；對鋼板摩擦系數(shù)0.4，休止角30°。

在計算中取最不利情況組合，即灰斗排料系統(tǒng)出現(xiàn)故障，灰斗滿灰的情況。取永久荷載分項系數(shù)為1.2；可變荷載分項系數(shù)為1.3［3］。

3 計算結果分析

3.1 內力分析

根據(jù)以上規(guī)定的約束條件、荷載類型及組合，通過SAP2000的有限元分析，對灰斗的整體變形、灰斗壁板的應力及加勁肋的軸力、彎矩的最大值進行統(tǒng)計（未考慮應力集中）見表1。變形、應力及內力分布見圖3～圖5。

表1最大值統(tǒng)計表

圖3 灰斗整體變形圖（單位:mm）

圖4 灰斗壁板應力云圖（單位:kPa）

圖5 灰斗加勁肋應力云圖（單位:kPa）

由表1及圖3～圖5可知，灰斗的最大變形出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，最大變形為10.5 mm，其余個板壁變形很小；灰斗壁板的最大應力出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，最大應力為19.15 MPa；加勁肋的最大彎矩出現(xiàn)在與水平夾角為32°的斜面上，水平向加強勁最大彎矩為 20.28 kN·m，豎向加強勁最大彎矩為0.56 kN·m，在左右板壁靠近前板的位置出現(xiàn)較大的負彎矩；加勁肋的最大軸力出現(xiàn)在與水平夾角為32°的斜面上，水平向加強勁最大軸力為131.8 kN，豎向加強勁最大軸力為10.87 kN，左右板壁水平加勁肋由后板壁向前板壁軸力逐漸增大，靠近前板壁部位水平加勁肋出現(xiàn)較大拉力。

3.2 夾角α對位移的影響

取手冊推薦的板壁與水平面夾角（取40°）建立對稱灰斗模型，其余參數(shù)同上述歪嘴灰斗。

將歪嘴灰斗與對稱灰斗各板壁的最大位移用曲線連接，見圖6。從圖6可以看出，當灰斗板壁的角度從粉煤灰的休止角30°到40°的范圍內，灰斗板壁的位移由10.5 mm減少到3.1 mm，減小較快。從40°到72°之間位移由3.1 mm減少到1.3 mm，減小較慢；從72°到80°之間位移由1.3 mm減少到0.9 mm位移變化不大。

圖6 角度—位移圖

因此在設計時，宜將灰斗板壁與水平面的夾角設置在40°到70°之間；若因條件限制灰斗壁與水平面的交角接近貯料的休止角時，宜在灰斗板壁內側涂刷減小摩擦涂料等措施減少貯料與板壁之間的摩擦系數(shù)；在條件允許的情況下宜采用水沖將貯料帶出灰斗。

3.3 水平加勁肋受力對比

取歪嘴灰斗與對稱灰斗的中間一層的水平加勁肋進行內力比較分析，彎矩與軸力對比見圖7、圖8。

圖7 灰斗水平加勁肋彎矩對比（單位:kN·m）

圖8 灰斗水平加勁肋軸力對比（單位:kN）

從水平加勁肋的內力圖可以看出，其受力與封閉框架類似，但歪嘴灰斗在左右側板上的水平肋出現(xiàn)受力異常，由于灰斗的偏心作用，使得左右側板上的水平肋出現(xiàn)由后板壁向前板壁方向逐漸增大的負彎矩；32°斜面上的水平加勁肋以受拉為主，中間受力最大，兩邊依次減小，左右側板上的水平肋出現(xiàn)由后板壁向前板壁方向逐漸增大的壓力。

鑒于上述歪嘴灰斗水平肋的受力特點，在設計時應對不同夾角斜面上的水平肋采取不同的截面或不同型號的型鋼，以滿足受力要求。

綜合以上的計算和對比結果可知:隨著板壁與水平面夾角的增大，各構件的受力均有減??；歪嘴灰斗的最大變形與應力均出現(xiàn)在與水平面夾角為32°的斜面上，該板壁與水平面夾角接近于粉煤灰的休止角；歪嘴灰斗水平肋的受力與對稱灰斗水平肋的受力相差很大，局部出現(xiàn)受力相反的現(xiàn)象；由應力云圖可知灰斗與除塵器殼體、法蘭口連接處，壁板與壁板交匯處，豎向加勁肋與除塵器殼體、法蘭口連接處，以及加勁肋與加勁肋交匯處出現(xiàn)應力集中。

4 結 論

（1）歪嘴灰斗各板壁與水平面夾角不相同，導致變形、應力及內力在各板壁上分布及大小均相差較大。

（2）灰斗板壁與水平面夾角接近于貯料休止角的斜壁上變形與應力均較大，設計時應避免灰斗板壁與水平面夾角過小。

（3）針對歪嘴灰斗板壁的受力與變形特點，在設計中對不同的面應采用不同規(guī)格的材料及構造措施；對出現(xiàn)應力集中的部位采取適當?shù)臉嬙齑胧┯枰约訌姟?/p>

［1］ 張?zhí)熘?，王成樵，金立贊，?某電除塵器灰斗結構極限承載能力狀態(tài)分析［J］.鋼結構 ，2007，22（8）:63-65，76.

［2］ 陳建來，丁曉紅，王 峰，等.大型電除塵器灰斗結構分析及優(yōu)化設計［J］.礦山機械，2008，36（15）:102-105.

［3］ 杜佳棋，汪志強，馬建中.關于電除塵器大灰斗改造方案的建議［J］.工業(yè)安全與環(huán)保 ，2014，40（1）:12-15.

［4］ 馮宇飛，郭永生，李成淵，等.高地震烈度區(qū)大直徑框支圓鋼倉設計［C］//全國鋼結構學術年會論文集，北京:工業(yè)建筑雜志社，2009:87-89.

［5］ 吳 昊，徐 榕 .灰斗的強度分析［J］.機械設計與研究 ，2012，28（2）:93-95.

［6］ 貯倉結構設計手冊編寫組 .貯倉結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［7］ 李 剛，王 強，葉 亮，等.新型電除塵器下部鋼支架與灰斗協(xié)同作用分析［J］.四川建筑，2009，29（1）:108-112.

［8］ 北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社.2006.

［9］ 孔春林，張德軒，陳 宇，等.電除塵器灰斗的有限元分析［C］//第十一屆全國電除塵學術會議論文集，鄭州，2005:414-416.

Static Analysis of An Askew Mouthed Ash Hopper

LIANG Zhi-qian，ZHAO Jian-chang
（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

In some practical engineering projects，due to the functional requirements of the specific structure or the restrictions imposed by the existing or preinstalled equipment，the entry or exit of the hopper are made into an askew section.Engineering manuals or codes rarely involve the construction and computations of askew hoppers.To determine the stress and deformation of askew hoppers，the FEM analysis of an askew mouthed hopper in a power plant was conducted. In the analysis，the hopper deformation，internal force and stress distributions under static load were calculated and the stress characteristics of the askew hopper was obtained.

askew hopper；static analysis；SAP2000

U318

A

1672—1144（2015）02—0136—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.028

2014-12-04

2014-12-31

梁志乾（1987—），男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向為結構工程。E-mail:liang.zhi.qian@163.com