雷 曉 吳 量 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

石灰石倉是火電廠、化工園區(qū)的重要構(gòu)筑物。傳統(tǒng)的石灰石倉結(jié)構(gòu)通常為方形、圓形或上方下圓等結(jié)構(gòu)規(guī)則對稱的形式，但是隨著工藝要求越來越復(fù)雜多變以及設(shè)備布置的限制，異型石灰石倉越來越多。

以青海鹽湖某項目4臺500 m3石灰石倉為例，考慮鋼制結(jié)構(gòu)較混凝土結(jié)構(gòu)施工方便，可現(xiàn)場制作、安裝，工期短，具有良好的塑性和沖擊韌性，變形能力強，能承受一定的動荷載，項目石灰石倉采用鋼制結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)工藝、設(shè)備布置及操作、運輸?shù)确矫婢C合考量，采取上圓下方即圓變方 “褲衩形”雙出料口新型結(jié)構(gòu)形式。盡管圓變方“褲衩形”石灰石倉有著諸多的優(yōu)勢，但相比于對稱規(guī)則的石灰石倉，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何突變較多，在外載荷作用下，受力較為復(fù)雜，在石灰石倉壁與漏斗壁的連接處以及相鄰兩漏斗壁連接處常伴隨較為明顯的應(yīng)力集中，在計算中需要充分考慮。截至目前, 還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對這類形狀石灰石倉的設(shè)計給出明確的應(yīng)力和變形的計算公式。

要設(shè)計和分析鋼制石灰石倉，達到安全、經(jīng)濟、合理的設(shè)計目標(biāo)，一個行之有效的方法就是利用有限元軟件對它進行分析，得到圓變方“褲衩形”鋼制石灰石倉應(yīng)力集中和變形較大的部位，從而對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整，為工程設(shè)計提供可靠依據(jù)。

1 工程實例

石灰石倉采用上圓下方即“圓變方”結(jié)構(gòu)，上口尺寸為DN8000 mm直徑圓形筒體，中部為“圓變方”異型過渡，具體尺寸見圖1。

圖1 圓變方“褲衩形”石灰石倉簡圖

底部出料口采用兩個600 mm×600 mm方形結(jié)構(gòu)，總?cè)莘e約為500 m3。從整體外形可以看出形似“褲衩”，所以稱為圓變方“褲衩形”石灰石倉。由于石灰石倉的受力主要集中于漏斗側(cè)壁及“褲衩”襠部，故在此處設(shè)置5圈環(huán)向加勁肋作為加強支撐。

該石灰石倉具有以下特點：

(1)高徑比0.4

(2)上口為圓形，下口為兩個方形，中間為圓變方漏斗狀異形過渡，結(jié)構(gòu)突變，加勁肋設(shè)計時可根據(jù)應(yīng)力分布調(diào)整形式、規(guī)格和間距。

(3)根據(jù)項目設(shè)備布置要求，在上部圓筒處采用剛性環(huán)耳式支座支撐。

2 建模

2.1 有限元模型建立

實體模型的建立提高了模型的仿真度，但使得網(wǎng)格劃分難度加大，計算速度、效率降低，且對計算機的要求較高?？紤]到石灰石倉上部直筒部分受力較好，本文重點研究圓變方漏斗段及“褲衩”處的受力分析，因此只建立了石灰石倉支座以下結(jié)構(gòu)的有限元模型。

鋼制圓變方“褲衩形”石灰石倉采用ANSYS有限元進行結(jié)構(gòu)分析時分為兩部分，即石灰石倉壁和加勁肋，采用板殼單元shell63模擬石灰石倉壁，采用beam188單元模擬加勁肋，有限元模型見圖2。

圖2 石灰石倉有限元模型

2.2 材料特性

鋼制石灰石倉筒體和漏斗段均選用Q235B鋼板，石灰石倉在漏斗段設(shè)置環(huán)向加勁肋支撐，加勁肋采用L100×14等邊角鋼，材質(zhì)為Q235B，其彈性模量均為2.01×105MPa，泊松比取0.3。貯料石灰石的重度γ=16kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=35°，物料對鋼板的摩擦系數(shù)μ=0.3。

2.3 模型加載

本文參考淺倉模型的載荷計算方法并考慮石灰石倉自重，將荷載加載到有限元模型中，為了簡化模型，本文未考慮地震載荷、加料沖擊載荷的影響。貯料荷載產(chǎn)生的壓力示意圖見圖3。

圖3 淺倉貯料壓力示意圖

貯料壓力的計算應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)貯料頂面以下距離s處的水平截面上，作用在倉壁單位面積上的水平壓力為ph應(yīng)按下式計算：

ph=kγS

(2)貯料頂面以下距離s處，作用在倉壁單位面積上的豎向壓力為pv應(yīng)按下式計算：

pv=γS

(3)漏斗壁的切向壓力pt應(yīng)按下式計算:

pt=pv(1-k)sinα·cosα

(4)漏斗壁上的單位面積法向壓力pn應(yīng)按下式計算:

pn=ξpv

ξ=cos2α+ksin2α

由上述計算式可見，倉筒內(nèi)壁水平側(cè)壓力pn的大小是隨高度s呈線性變化的，漏斗壁切向壓力pt、法向壓力pn的大小不僅與高度s呈線性關(guān)系，而且與漏斗壁傾角α呈三角函數(shù)關(guān)系。因此，對不同高度漏斗壁施加隨高度和角度變化的荷載，使得數(shù)值模擬分析與現(xiàn)實情況更為相符，模型加載見圖4。

圖4 石灰石倉模型加載

3 計算結(jié)果分析

通過對上述有限元模型進行求解，得到了計算結(jié)果。觀察石灰石倉的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)加勁肋與漏斗側(cè)壁連接處應(yīng)力集中并不明顯，整體應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力極值較低。但石灰石倉漏斗側(cè)壁在結(jié)構(gòu)上由圓變方、“褲衩”處大方變兩小方，此處結(jié)構(gòu)突變、不連續(xù)，使得結(jié)構(gòu)變形的角點處產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中“褲衩”襠部外側(cè)角點是應(yīng)力最集中的部位，應(yīng)力值最大，達到525.36MPa，見圖5和圖6。

圖5 石灰石倉總應(yīng)力分布

而石灰石倉漏斗側(cè)壁各交界位置處節(jié)點應(yīng)力最大值為122.13 MPa，其余應(yīng)力分布較為均勻，見圖7。

圖7 漏斗側(cè)壁應(yīng)力分布云圖

這是由于鋼材具有比較良好的塑性變形能力，可以使應(yīng)力再分布，從而緩解應(yīng)力集中。

石灰石倉位移分布云圖見圖8。

圖8 石灰石倉位移分布云圖

可以看出，最大位移發(fā)生在應(yīng)力集中點正上方靠近A-A截面以上最近一圈加勁肋附近，為20.645 mm。而此處壁板橫向最大跨度L=5650 mm，撓度極限值為L/150= 37.7 mm，20.645<37.7，滿足DL5022-2012[2]規(guī)定。

加勁肋應(yīng)力分布情況見圖9。

圖9 加勁肋應(yīng)力分布云圖

可以看出，加勁肋的應(yīng)力值最大不超過90.92 MPa，極大值出現(xiàn)在圓變方“褲衩”交界面襠部角點上方最近一圈的加勁肋上，由于總體應(yīng)力水平不高，本文不對加勁肋受力做單獨分析。

改善石灰石倉的受力，降低石灰石倉應(yīng)力集中和減小變形是石灰石倉設(shè)計中應(yīng)考慮的最主要問題。在石灰石倉設(shè)計時，增加石灰石倉的壁厚對改善其受力性能作用較為明顯，但當(dāng)壁厚超過一定值時，其增大引起的受力改善相對有限[3]，同時造成石灰石倉整體結(jié)構(gòu)自重增加較多，對支撐結(jié)構(gòu)要求也越苛刻，經(jīng)濟性較差。為解決這一問題，應(yīng)該著重考慮從加勁肋規(guī)格調(diào)整和方位布置來分析對倉體應(yīng)力的減小與改善。

3.1 增大加勁肋截面

圓變方“褲衩”交界面處應(yīng)力和變形較大，在此處可以采用增加外圍加勁肋的截面(如增大型鋼規(guī)格)來減小應(yīng)力集中。

本文僅將交界面處外圍一圈加勁肋角鋼由L100×14增大為L180×18，經(jīng)過ANSYS計算，“褲衩”處應(yīng)力由525.36 MPa降到358.4 MPa，應(yīng)力減小31.8%，應(yīng)力改善非常明顯；漏斗側(cè)壁應(yīng)力由122.13 MPa降到121.42 MPa，應(yīng)力減小甚微；位移由20.645 mm降到18.538 mm，應(yīng)變減小10.2%，見圖10(a)～(c)。

圖10 增大加勁肋截面總應(yīng)力分布云圖

由此可見，增大加勁肋截面面積可有效降低“褲衩”處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中。

3.2 增加豎向加勁肋

為了進一步優(yōu)化石灰石倉加強結(jié)構(gòu)，減小倉體變形，模型僅在圓變方“褲衩”交界面沿倉體外表面向上增加豎向加勁肋。

經(jīng)過計算，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，見圖11(a)～(c)。

圖11 增加豎向加勁肋總應(yīng)力分布云圖

由圖可知，“褲衩”處應(yīng)力由525.36 MPa降到487.48 MPa，應(yīng)力減小7.21%；漏斗側(cè)壁應(yīng)力由122.13 MPa降到113.81 MPa，應(yīng)力減小6.81%；位移由20.645 mm降到11.104 mm，應(yīng)變減小46.2%。所以增加豎向加勁肋后，漏斗側(cè)壁的應(yīng)變均改善相當(dāng)明顯，因此，豎向加勁肋在撓度控制方面起到很大作用。

經(jīng)過優(yōu)化，本例圓變方“褲衩形”石灰石倉的設(shè)計采用圓變方結(jié)構(gòu)突變處增大加勁肋截面(角鋼L180×18)和增加豎向加勁肋(角鋼L100×14)的方法，通過合適的焊接工藝，讓加勁肋與倉壁成為一個整體，在貯料變荷載作用下，相鄰構(gòu)件通過變形協(xié)調(diào)而共同受力，從而降低應(yīng)力集中，減小變形。

4 結(jié)語

(1)采用ANSYS對石灰石倉進行有限元計算可以使模擬分析與現(xiàn)實情況更為相符，確定石灰石倉最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)的位置，通過不斷調(diào)整石灰石倉加勁肋的布置和規(guī)格，反復(fù)試算，有效控制石灰石倉的應(yīng)力和變形，達到了石灰石倉結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計的目的，從而使結(jié)構(gòu)更加安全可靠，還能避免不必要的浪費，為工程設(shè)計提供依據(jù)。

(2)為了降低石灰石倉結(jié)構(gòu)突變、不連續(xù)處應(yīng)力集中，可以增大此處加勁肋截面積，但此方法對減小漏斗側(cè)壁板的應(yīng)力應(yīng)變影響并不明顯。

(3)當(dāng)石灰石倉漏斗側(cè)壁鋼板變形或位移較大時，可以在水平加勁之間設(shè)置豎向加勁。豎向加勁肋將鋼板細(xì)化為小方格，可有效減小漏斗側(cè)壁板的變形或位移。但此方法對減小結(jié)構(gòu)突變處和漏斗側(cè)壁處應(yīng)力集中效果并不明顯。