田 洲

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

圓筒煤倉(cāng)作為儲(chǔ)存煤的容器，具有利于環(huán)保、占地少、卸料通暢、易于機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，在選煤廠應(yīng)用非常普遍。隨著筒倉(cāng)理論研究的深入和施工技術(shù)的提高，目前筒倉(cāng)的直徑和容量都有了很大的提高，但是按照GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱“筒規(guī)”)設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)裂縫、發(fā)生破壞的情況卻時(shí)有發(fā)生[2]。為提高筒倉(cāng)的安全性和可靠性，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，對(duì)圓筒倉(cāng)的受力特征進(jìn)行深入研究十分必要。文章基于Janssen理論[3], 利用有限元SAP2000軟件建立模型，通過(guò)深入分析研究?jī)?chǔ)煤圓筒倉(cāng)倉(cāng)壁的受力機(jī)理，找出可能存在的安全隱患,以期為選煤廠圓筒煤倉(cāng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及計(jì)算參數(shù)

研究以四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司石洞溝選煤廠原煤倉(cāng)設(shè)計(jì)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該選煤廠圓筒煤倉(cāng)為混凝土結(jié)構(gòu)，直徑(內(nèi)徑)為15 m，高度為32.6 m；為筒壁和內(nèi)柱共同支撐結(jié)構(gòu)，筒壁、倉(cāng)壁均采用250 mm厚C30混凝土，第1層設(shè)兩個(gè)車道(圖1)，在標(biāo)高+10.475 m平面布置四個(gè)漏斗(圖2)，倉(cāng)頂采用收口形式，倉(cāng)上采用混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)防烈度為6度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。根據(jù)GB50359—2005《煤炭洗選工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，原煤重力密度為11 kN/m3，內(nèi)摩擦角為32°，摩擦系數(shù)(對(duì)混凝土板)為0.5；根據(jù)GB50583—2010《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,本地區(qū)風(fēng)荷載W=0.4 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2。

圖1 首層平面布置圖

圖2 首層1-1剖面圖

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型的確定

根據(jù)儲(chǔ)煤圓筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)類型及受力特點(diǎn)，有限元單元的類型采用殼單元，本工程中殼單元為曲面，其薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力耦合具有平面內(nèi)外的剛度，既能承受膜力，也能承受彎曲應(yīng)力[4]。

2.2 材料屬性

本工程圓筒倉(cāng)采用C30混凝土，根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，彈性模量Ec=3.00×104N/mm2，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=14.3 N/mm2，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=1.43 N/mm2，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3。

2.3 有限元模型及荷載

對(duì)混凝土圓筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，采用有限元SAP2000軟件建立三維模型(圖3)，采用殼單元。對(duì)圓筒倉(cāng)上部混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅計(jì)入其質(zhì)量[6]；圓筒倉(cāng)基礎(chǔ)埋深較大，故首層底部視為嵌固端。

根據(jù)“筒規(guī)”，本工程圓筒倉(cāng)為淺倉(cāng)，故忽略沿倉(cāng)壁周長(zhǎng)總豎向摩擦力，作用于倉(cāng)壁單位面積上的水平壓力成梯形分布，底部最大為64 kN/m2，上部環(huán)梁處最小為16 kN/m2，如圖4所示。

圖3 圓筒倉(cāng)有限元模型

圖4 倉(cāng)壁荷載示意圖

3 受力特征分析

3.1 動(dòng)力特性

儲(chǔ)煤圓筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)情況不僅與儲(chǔ)煤荷載有關(guān)，同時(shí)與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有關(guān)[7]。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性既能反映出結(jié)構(gòu)本身整體剛度的大小和分配的均勻程度，也是結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)和其他各類動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[8]。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性，如固有頻率和各階陣型?；炷翀A筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)前3階的自振頻率及陣型特征如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)陣型頻率與陣型特征Table 1 Structural formation frequency and characteristics

由表1可以得出，該倉(cāng)結(jié)構(gòu)陣型特點(diǎn)為：①基頻適中，基本頻率為2.72 Hz，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)剛度較大，利于結(jié)構(gòu)抗震；②由結(jié)構(gòu)前3階陣型可以看出，呈現(xiàn)平動(dòng)、平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)的陣型分布特征，符合GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)以平面振動(dòng)為主，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)良好的動(dòng)力特性，布置較合理。

3.2 受力特征分析

根據(jù)“筒規(guī)”計(jì)算得到儲(chǔ)煤水平壓力并施加于結(jié)構(gòu)，得到倉(cāng)壁的環(huán)向拉應(yīng)力云圖，如圖5所示。由“筒規(guī)”計(jì)算公式ph=kγs(其中：ph為作用于倉(cāng)壁單位面積上的水平壓力；k為側(cè)壓力系數(shù)；γ為儲(chǔ)料的堆密度；s為儲(chǔ)料錐體重心至所計(jì)算截面的距離)計(jì)算得到的倉(cāng)壁環(huán)向拉應(yīng)力ph和有限元分析得到的環(huán)向拉應(yīng)力，繪制出倉(cāng)壁環(huán)向主拉應(yīng)力對(duì)比折線圖，如圖6所示。

圖5 倉(cāng)壁環(huán)向主拉應(yīng)力云圖

圖6 倉(cāng)壁環(huán)向主拉應(yīng)力對(duì)比圖

由“筒規(guī)”公式4.2.6-1計(jì)算得到的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在倉(cāng)壁與環(huán)梁相交處，且隨著高度的增加呈線性分布；通過(guò)有限元計(jì)算得出最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在儲(chǔ)料錐體重心至截面底部1/4處，并在頂部環(huán)梁處出現(xiàn)拉應(yīng)力增大的突變；在儲(chǔ)料荷載作用下，環(huán)梁對(duì)倉(cāng)壁的約束作用在儲(chǔ)料錐體重心至截面底部1/4范圍內(nèi)明顯，使薄弱部位上移，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際儲(chǔ)煤倉(cāng)易產(chǎn)生裂縫位置相符。

綜上分析，按“筒規(guī)”公式計(jì)算基本上能滿足工程需要，但對(duì)薄弱部位的判斷存在明顯不足之處，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意予以加強(qiáng)。

4 結(jié)論

隨著選煤廠的大型化發(fā)展，選煤工業(yè)對(duì)儲(chǔ)煤圓筒倉(cāng)的直徑和容量都提出了更高的要求，但是按照“筒規(guī)”設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)不能滿足實(shí)際工程的需要。為掌握倉(cāng)壁的應(yīng)力分布特征，本研究通過(guò)規(guī)范公式和有限元分析方法對(duì)圓煤倉(cāng)倉(cāng)壁的受力特征進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)按“筒規(guī)”公式4.2.6-1計(jì)算基本上能滿足工程需要，但對(duì)薄弱部位的判斷與實(shí)際受力狀態(tài)存在偏差。

(2)倉(cāng)壁最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在儲(chǔ)料錐體重心至截面底部1/4處，在儲(chǔ)料荷載作用下，環(huán)梁對(duì)倉(cāng)壁的約束作用在一定范圍內(nèi)明顯。

(3)對(duì)圓筒倉(cāng)倉(cāng)壁進(jìn)行有限元受力特征分析，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論中無(wú)法考慮環(huán)梁與倉(cāng)壁之間連接復(fù)雜對(duì)倉(cāng)壁內(nèi)力的影響，從而為選煤廠圓筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] GB50077—2003 鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 周 云，宗 蘭，張文芳，等.土木工程抗震設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：83-84.

[3] 貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組. 貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999： 109-112

[4] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司.SAP2000中文版使用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2006：40-41.

[5] GB-50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[6] 郭宏盛，盛宏玉.倉(cāng)頂對(duì)筒倉(cāng)計(jì)算結(jié)果的影響分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(7)：961-963.

[7] 田 洲，劉春艷.大跨度儲(chǔ)煤棚拱桁架結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].選煤技術(shù)，2013(2)：16-18

[8] 張文芳，田 洲,李慶玲.晉祠舍利生生塔磚結(jié)構(gòu)的地震破壞形態(tài)研究[J].工程抗震與加固改造，2011(3)：7-11.