王云極，袁　泉，宮赫乾

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春　130021)

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量的提升，對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)煤的儲(chǔ)量要求不斷提高。大直徑封閉式圓形儲(chǔ)煤場(chǎng)具有占地小、儲(chǔ)煤量大、自動(dòng)化程度高、便于配煤、運(yùn)行安全可靠、抗惡劣天氣強(qiáng)、對(duì)環(huán)境污染小、煤損耗小、景觀好等特點(diǎn)[1]，因而在電力行業(yè)得到較好的應(yīng)用。

封閉式圓形儲(chǔ)煤場(chǎng)干煤棚由上部球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部擋墻結(jié)構(gòu)組成。其中，下部擋墻結(jié)構(gòu)可分為分離式和整體式兩種，相比較而言，整體式擋墻結(jié)構(gòu)具有整體性好、材料和用地面積較少等優(yōu)點(diǎn)。整體式圓形煤場(chǎng)擋墻結(jié)構(gòu)主要由環(huán)形基礎(chǔ)、擋煤墻、頂部環(huán)梁組成，在工程實(shí)踐中主要應(yīng)用帶扶壁柱和無(wú)扶壁柱兩種整體式擋墻結(jié)構(gòu)。

整體式擋墻結(jié)構(gòu)形式雖然簡(jiǎn)單，但上部網(wǎng)架質(zhì)量較大，并要為其提供可靠的支撐，自身范圍、高度較大，加之結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度沿豎向分布不均勻，其自身動(dòng)力特性以及不同工作荷載作用下對(duì)其動(dòng)力特性的影響必須加以重視。

1　工程概況

我國(guó)北方某熱電廠工程項(xiàng)目規(guī)劃4×300 MW供熱機(jī)組，一期完成2臺(tái)機(jī)組，建設(shè)2座圓形煤場(chǎng)，儲(chǔ)煤總量約為1.5×105t，屋面采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，擋墻采用整體式擋墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部分主要由基礎(chǔ)、擋墻、壁式牛腿、扶壁柱、輸煤地道組成，扶壁柱頂端預(yù)留埋件與屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相連。擋墻高度為22.1 m，厚度為0.9 m，內(nèi)徑為90.5 m，扶壁柱寬度為1.2 m，墻頂環(huán)形走道板寬度為2.15 m，壁式牛腿挑出長(zhǎng)度為0.75 m，端部高度為0.6 m，根部高度為1 m，輸煤地道內(nèi)壁尺寸4.5 m×3.3 m，整體式擋墻結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　圓形煤場(chǎng)整體式擋墻結(jié)構(gòu)

2　工作荷載

2.1　恒定荷載

圓形儲(chǔ)煤場(chǎng)干煤棚結(jié)構(gòu)由上部球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部擋墻結(jié)構(gòu)組成，擋墻結(jié)構(gòu)所受恒定荷載由上而下，即網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自重、擋墻結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)自重。上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過(guò)與擋墻之間的預(yù)埋件將自重傳遞給擋墻結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件沿?fù)鯄A周每10°設(shè)置一個(gè)，共36個(gè)，單個(gè)預(yù)埋件上所受豎向荷載為400 kN[2]，共計(jì)14 400 kN。

2.2　活動(dòng)荷載

擋墻結(jié)構(gòu)所受活動(dòng)荷載主要為門架式取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)作用在擋墻頂部圓周上的輪壓，輪壓主要由門架、行走機(jī)構(gòu)、欄桿、卷?yè)P(yáng)支架、司機(jī)室、電氣室、料耙等各組成部分的自重引起，此外，當(dāng)料耙在取料范圍內(nèi)處于不同工位時(shí)，料耙重心的移動(dòng)還將引起輪壓的變化[3]，其中，料耙上仰時(shí)輪壓最小，取料耙下俯時(shí)的輪壓為964.3 kN，水平和下俯時(shí)較為接近。

擋墻頂部沿圓周設(shè)置通行走道板，滿足檢修、通行以及參觀需求，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載取值，按3.5 kN/m2計(jì)算。

2.3　堆煤壓力

堆煤壓力的計(jì)算，可以按照極限平衡理論，在考慮煤與混凝土側(cè)壁之間的摩擦力的情況下，假設(shè)不同的滑移面，求出擋墻對(duì)煤體的反力，其中最大者為堆煤壓力，再假定它沿高度為線性分布，便可換算出側(cè)壓力系數(shù)[4]。煤體對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力p可按公式(1)計(jì)算[1,5-8]：

p=KγI

(1)

式中：p為任意一點(diǎn)的側(cè)向壓力；K為側(cè)壓力系數(shù)，取0.45；γ是煤的容重，取13 kN/m3；I為內(nèi)壁處煤堆表面到該點(diǎn)的深度。

3　有限元數(shù)值模型

整體式擋墻有限元數(shù)值模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于擋墻圓心，標(biāo)高±0.000 m處，采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，符合右手定則：x軸沿輸煤地道方向，以由內(nèi)而外為正；y軸沿豎直方向，以豎直向上為正；z軸沿垂直輸煤地道方向。扶壁柱為上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)固定支座，按10°間隔設(shè)置，為描述方便，以輸煤地道及洞口中線為基準(zhǔn)，沿逆時(shí)針?lè)较驅(qū)Ψ霰谥幪?hào)，洞口兩側(cè)扶壁柱編號(hào)分別為1和36。

模型采用質(zhì)量單元(Mass21)模擬堆煤壓力作用，并將上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)重量施加于模型，按180°堆煤來(lái)考慮堆煤荷載的最不利布置工況[9-10]，即以x軸正向起始，沿逆時(shí)針?lè)较蚶@y軸形成的180°范圍內(nèi)布置堆煤荷載。擋墻結(jié)構(gòu)采用Solid45單元模擬，有限元三維模型見(jiàn)圖2，單元共24 961個(gè)，節(jié)點(diǎn)共35 398個(gè)。

擬定通過(guò)2種計(jì)算方案開(kāi)展研究工作，方案1，不考慮活動(dòng)荷載及堆煤壓力；方案2，考慮活動(dòng)荷載及堆煤壓力，并按照堆煤荷載最不利布置計(jì)算，走道板活荷載重力布置范圍與堆煤荷載相同，同時(shí)將取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)輪壓重力作用于壁式牛腿頂面90°處，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，彈性模量為30 GPa，剪切模量為12 GPa，泊松比為0.20，密度為2 400 kg/m3。

圖2　整體式擋墻有限元三維模型

4　自振模態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)圓形煤場(chǎng)整體式擋墻結(jié)構(gòu)有限元三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，可選擇的模態(tài)提取方法共7種，分別是：子空間迭代法、分塊(Lanczos)法、動(dòng)態(tài)提取(Power Dynamics)法、縮減法、非對(duì)稱法、阻尼法、正交直角三角形(QR)阻尼法等。不同的適用性，其中以子空間迭代法、分塊法、縮減法、動(dòng)態(tài)提取法最為常用，并且能夠基本滿足大多數(shù)工程計(jì)算問(wèn)題的各項(xiàng)要求，本文采用由經(jīng)典Lanczos法演化而來(lái)的分塊Lanczos法。

4.1　結(jié)構(gòu)自振模態(tài)計(jì)算

通過(guò)既定的2種計(jì)算方案，分別計(jì)算整體式擋墻結(jié)構(gòu)前30階自振周期，前20階計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

對(duì)應(yīng)于2個(gè)方案第1、2階振型的振型圖分別見(jiàn)圖3、圖4。

4.2　自振特性結(jié)果分析

a.方案1：自振頻率分布比較密集，基頻周期僅為0.116 s，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛度較大；前10階振型圖表現(xiàn)出關(guān)于輸煤地道的對(duì)稱或反對(duì)稱關(guān)系；前4階振型均位于洞口附近或洞口對(duì)面，說(shuō)明洞口的剛度削弱不近對(duì)洞口附近有影響，甚至?xí)绊懙蕉纯趯?duì)面位置；從第5階振型開(kāi)始，各振型均為結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)，扶壁柱均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；第15、18階分別為沿輸煤地道和垂直輸煤地道方向的整體振動(dòng)。

表1　方案1擋墻結(jié)構(gòu)自振周期

b.方案2：前10階振型圖并未表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱關(guān)系；前4階振型均出現(xiàn)在堆煤荷載布置邊界位置，第1、3階更與洞口位置相關(guān)，正是結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度分布變化最為明顯的部位；從第5階振型開(kāi)始，絕大多數(shù)振型下，扶壁柱均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；第20階為垂直輸煤地道方向的整體振動(dòng)。

c.考慮了活動(dòng)荷載的最不利布置以后，結(jié)構(gòu)自振頻率數(shù)值上整體稍稍降低，振型上變化較大，關(guān)于洞口的對(duì)稱或反對(duì)稱關(guān)系消失，且在前20階振型中未出現(xiàn)沿輸煤地道方向的整體振動(dòng)模態(tài)，說(shuō)明受工作荷載影響，尤其堆煤荷載的最不利布置對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布產(chǎn)生較大影響；前4階振型均出現(xiàn)在洞口附近、洞口對(duì)面附近以及堆煤荷載布置邊界位置，說(shuō)明質(zhì)量與剛度的突變對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)自振特性影響突出，此類位置容易成為薄弱位置；整體振動(dòng)模態(tài)，扶壁柱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的不利影響，提高扶壁柱抗扭能力。

表2　方案2擋墻結(jié)構(gòu)自振周期

圖3　方案1擋墻結(jié)構(gòu)第1、2階自振模態(tài)

圖4　方案2擋墻結(jié)構(gòu)第1、2階自振模態(tài)

5　結(jié)論

采用模態(tài)分析方法，按照是否考慮活動(dòng)荷載及堆煤壓力2個(gè)方案，計(jì)算了大直徑圓形煤場(chǎng)整體式擋墻結(jié)構(gòu)前20階自振周期，通過(guò)分析自振頻率計(jì)算結(jié)果及振型圖得出以下結(jié)論。

a.整體式擋墻結(jié)構(gòu)剛度較大。

b.考慮最不利布置的堆煤荷載對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布產(chǎn)生較大影響。

c.洞口附近剛度突變?nèi)菀壮蔀楸∪醪课弧?/p>

d.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)扶壁柱產(chǎn)生的不利影響。

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