創(chuàng)新者：李 良 林 凌

火力發(fā)電廠雙卸料口矩形鋼煤斗有限元分析

創(chuàng)新者：李 良 林 凌

對(duì)某電廠的雙卸料口矩形鋼煤斗采用MIDAS軟件進(jìn)行有限元建模受力分析，與傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法進(jìn)行相互驗(yàn)證。用兩者相互比較驗(yàn)證的結(jié)果，為實(shí)際工程中設(shè)計(jì)鋼煤斗的鋼板以及加勁肋的選擇提供一些有價(jià)值的指導(dǎo)。

由于鋼煤斗的外形變化復(fù)雜，規(guī)范還難以給出適用于各種煤斗的計(jì)算方法和應(yīng)力、變形計(jì)算公式。目前在工程設(shè)計(jì)中，大多借鑒《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50077-2003）》和《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，以及《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程（DL 5022-2012）》中的提及煤斗的部分條款，計(jì)算手段比較單一，所做的各種假定與實(shí)際情況出入較大，從準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看都有欠缺。本文將以某火力發(fā)電廠的雙卸料口矩形鋼煤斗為例，采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行模擬計(jì)算分析，以驗(yàn)算傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法得出結(jié)論的安全性，并為以后的工程中的鋼煤斗設(shè)計(jì)提供更合理的建議。

設(shè)計(jì)概要

鋼煤斗模型

某火力發(fā)電廠工程煤斗為雙卸料口矩形鋼煤斗，煤斗總?cè)莘e為290m3；上部尺寸為：5.6mx8.0m，高度H=3.3m；雙卸料口漏斗部分高度為：hn =6.9m；H〉0.5L=0.5x5.6=2.8m，該煤斗為深倉(cāng)。模型假定鋼煤斗鋼板所用厚度為t=10mm ，所用環(huán)向加勁肋為：L200X125X16 ；豎向加勁肋采用扁鋼：-180x12 ；鋼材選用Q345B或者Q235B。矩形鋼煤斗外形及加勁肋位置見(jiàn)圖1。

圖1　矩形鋼煤斗外形及加勁肋位置圖

圖2　煤斗倉(cāng)體壓力示意圖

設(shè)計(jì)荷載

該文中所選工程中的煤斗與主框架的連接方式為懸掛式，在考慮鋼板和加勁肋的計(jì)算過(guò)程中，只考慮煤斗本體構(gòu)件的設(shè)計(jì)，不涉及與外部的連接支座，且暫不考慮地震荷載。所考慮的恒荷載僅包括鋼煤斗自重、倉(cāng)壁內(nèi)襯自重及煤斗口吊掛給料設(shè)備荷載，可變荷載僅考慮貯料荷載。根據(jù)《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，鋼煤斗在設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件或連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算內(nèi)力和應(yīng)力，構(gòu)件變形值則應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。在考慮荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，荷載的分項(xiàng)系數(shù)恒荷載取rG=1.2可變荷載取rQ =1.3。手冊(cè)在計(jì)算本文中的鋼煤斗時(shí)，按照主次梁體系計(jì)算壁板和垂直加勁肋的彎矩；壁板雙向受彎并承受斜向拉力；垂直加勁肋僅承受壁板傳來(lái)的法向荷載引起的彎矩；水平加勁肋除承受相鄰側(cè)壁傳來(lái)的水平拉力外，還承受壁板和垂直加勁肋傳來(lái)的法向荷載引起的彎矩。同時(shí)懸掛式煤斗的鋼直壁還將承受下部漏斗傳來(lái)的豎向拉力，因鋼直壁上方為通長(zhǎng)焊接，可不考慮直壁平面內(nèi)彎曲的計(jì)算。煤斗倉(cāng)體壓力示意圖見(jiàn)圖2。

計(jì)算深度s處，單位面積上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（Pv）按照下式計(jì)算：

任意深度處，單位面積上的水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值（Ph）按照下式計(jì)算：

鋼煤斗上單位面積上的貯料法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（pn）按照下式計(jì)算：

鋼煤斗上單位面積上的貯料法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（pt）按照下式計(jì)算：

式（1）～（4）中， C-沖擊影響系數(shù)，因火力發(fā)電廠中輸煤系統(tǒng)采用的是皮帶傳送，取C=1；γ-貯料重度，取12kN/m3；s-貯料計(jì)算高度；k-側(cè)向力系數(shù)， k=tan2（450-φ/2）；法向壓力系數(shù)ζ，ζ=cos2α+k*sin2α。根據(jù)圖1所示，鋼煤斗錐斗部分被水平加勁肋劃分的情況，計(jì)算出錐斗部分的法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1。

表1　錐斗部分的四個(gè)法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（單位：kN/m2）

利用有限元軟件MIDAS進(jìn)行分析

模型的建立

利用MIDAS軟件建立模型時(shí)，對(duì)于鋼煤斗本體來(lái)說(shuō)，有兩種方式：

利用軟件的“板單元”建立模型，整個(gè)煤斗由直壁的4塊板加上錐斗部分的6塊板組合而成；

利用軟件的“殼單元”建立模型，整個(gè)煤斗分成1“殼單元1”，“殼單元2”和2個(gè)“殼單元3”進(jìn)行組裝，整體見(jiàn)圖3。

本文利用第2種方法進(jìn)行建模，模型整體圖如圖4所示。然后根據(jù)1.2所計(jì)算的荷載進(jìn)行荷載布置；并進(jìn)行有限元分析。

有限元分析

圖3　煤斗組裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　煤斗組裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　板應(yīng)力分析圖

圖6　加勁肋應(yīng)力分析圖

通過(guò)有限元軟件MIDAS進(jìn)行分析，最終的鋼煤斗有限元板計(jì)算；相應(yīng)的結(jié)果圖見(jiàn)圖5和圖6。

從圖5中，一方面可以看出，最大的應(yīng)力值為：162N/mm2小于345N/mm2*0.6=207N/mm2（0.6為折減系數(shù)，因MIDAS軟件在設(shè)計(jì)分析過(guò)程中采用的荷載組合為標(biāo)準(zhǔn)組合；在國(guó)標(biāo)的傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算過(guò)程中可不考慮此折減系數(shù)），大于235N/mm2*0.6=141N/mm2，得出本文中的鋼煤斗的鋼板材料在直壁選用時(shí)可以選擇鋼材Q235B；而在錐斗部分必須采用鋼材Q345B。另外一方面可以看出錐斗中間部分的應(yīng)力比較集中，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，此位置可適當(dāng)加強(qiáng)；與傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法比較減少了選用鋼材強(qiáng)度的盲目性。

從圖6中可以看出，最大的應(yīng)力值為：121N/mm2小于235N/mm2*0.6=141N/mm2，得出本文中加勁肋的鋼材選用Q235B滿足設(shè)計(jì)要求；相應(yīng)的的應(yīng)力集中出現(xiàn)在矩形鋼煤斗四個(gè)角的連接及直壁與錐斗壁的連接處，需要我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中予以加強(qiáng)布置。

傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算結(jié)果的分析

由于《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有比較完整的計(jì)算實(shí)例，故本文不再對(duì)雙出口矩形鋼煤斗的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行贅述，僅給出應(yīng)用傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法得出的結(jié)果驗(yàn)算。

矩形鋼煤斗斗壁鋼板驗(yàn)算結(jié)果

應(yīng)用傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法得到以水平加勁肋為兩端簡(jiǎn)支的鋼煤斗壁板的最大跨中彎矩設(shè)計(jì)值Mmax=3.57 kN?m；根據(jù)最大彎矩初選截面W=Mmax/0.9f=18456mm3；得到板厚t==10.523至少板厚要取11mm，得出傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法比有限元分析壁厚有所增加或者可以和前文一樣選用鋼材型號(hào)Q345B。

矩形鋼煤斗加緊肋驗(yàn)算結(jié)果

水平加勁肋材料：不等邊角鋼L200x125x16。應(yīng)用傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法，根據(jù)《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》取不等邊角鋼和斗壁鋼板的組合截面特性；可查《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4.18：截面面積A=79.74cm2；組合截面慣性矩I=5906cm4；組合截面抵抗矩 W=495cm3。選擇最長(zhǎng)的加緊肋（最不利情況下）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　最不利情況下的加勁肋數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算得到的加勁肋的最大應(yīng)力值為：211.7 N/mm2，遠(yuǎn)大于MIDAS有限元分析計(jì)算出的結(jié)果121N/mm2。導(dǎo)致傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算的加勁肋的應(yīng)力值比較大的原因在于，雙出口矩形鋼煤斗結(jié)構(gòu)的造型復(fù)雜，在手冊(cè)計(jì)算時(shí)，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的模型中是以水平加勁肋作為框架梁的一個(gè)方型的框架結(jié)構(gòu)。這樣的框架結(jié)構(gòu)突出了水平加勁肋在整個(gè)鋼煤斗結(jié)構(gòu)中的作用，盡管考慮了加勁肋和鋼煤斗板的組合截面，但是仍然不能完全考慮鋼煤斗鋼板本身的強(qiáng)度和剛度，與雙出口矩形鋼煤斗結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力和傳力模式有一定的區(qū)別。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析與傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法的比較，可以得出以下結(jié)論。

（1）雙出口矩形鋼煤斗結(jié)構(gòu)造型比較復(fù)雜，在進(jìn)行手冊(cè)計(jì)算時(shí)，要進(jìn)行非常多的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；有限元建模分析在一定程度上不需要簡(jiǎn)化模型，很容易看出應(yīng)力集中的位置以及具體位置的應(yīng)力大小，以方便在實(shí)際設(shè)計(jì)中，進(jìn)行加強(qiáng)。

（2）有限元建模分析，需要對(duì)鋼煤斗結(jié)構(gòu)所受的荷載有比較熟悉的認(rèn)識(shí)，在建模過(guò)程中保證輸入荷載的正確和完整性。并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，做出相應(yīng)的誤差處理，需要時(shí)與傳統(tǒng)手冊(cè)計(jì)算方法相互驗(yàn)證；通過(guò)兩種方法的不斷調(diào)試和驗(yàn)算，對(duì)鋼煤斗鋼板厚度和加勁肋間距做到有利配置，完成鋼煤斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，做出正確的施工圖紙。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.030