火力发电厂干灰库温度应力的有限元分析

郭 跃 （安徽省电力设计院，安徽 合肥 230601）

0 前 言

钢筋混凝土灰库筒仓是电厂中用来储存灰料的建筑，近年来，随着国内电力行业的迅速发展以及工程需求的增加，灰库的直径和高度都较以往有了明显增大，势必随之产生新的课题，其中筒仓壁的温度应力问题较为突出，国内外都出现过大量筒仓因未充分考虑温度应力的影响而造成仓体破裂的事故。特别是很多灰库筒仓都处于气候比较恶劣的地区，季节温差作用都比较明显，同时贮料引起的仓壁内外温差也相当大。因此，对大直径灰库筒仓贮料的温度应力和结构贮料静力荷载进行耦合分析并深入研究是十分必要的。

1 有限元模型

本文针对某2×600MW 级别火力发电厂的灰库进行仿真计算分析，采用了mpc多点约束、表面接触单元surf154传递荷载、热-应力耦合计算等技术，在热分析中建立完整的库壁有限元模型，然后再在结构分析中建立顶板及库顶框架梁。建模时将模型分成三大部分（即库壁及底板、顶板、顶部框架梁）分别建模，再利用ANSYS的装配技术mpc多点约束将这三部分装配起来，相交的地方采用约束方程的方式连接，最后形成整个模型。模型使用的单元主要有：实体单元solid70、壳单元shell63、梁单元beam188、接触表面单元surf154、单元conta175、单元targe170。具体模型见图1。

2 计算工况及结果分析

2.1 计算工况

图1 灰库模型剖面图

图2 工况1库壁温度场图

图3 工况7下环向应力云图

图4 、图5工况1、工况2下节点环向应力随温差变化关系图

图6 、图7工况6、工况7下节点环向应力随仓壁厚度变化的关系图

考虑具体测量数据、工艺提供资料和工程实地气象资料，设定如下的热分析情况：①当仓壁厚度为0.3m时，分析有无保温层内外温差为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃时对仓壁环向应力的影响；②当仓壁内外温差为20℃及100℃（极端情况）时，分别分析壁厚值为0.3m、0.4m、0.5m、0.6m和0.7m这五种情况对仓壁环向应力的影响；③理想状态下贮灰荷载静力有限元分析和热-应力耦合分析中有无保温层对比分析，即在灰库筒仓热分析的过程中分为7个工况分别进行讨论。为了使得分析情况明了，将工况情况列表见表1。

同时为了增加计算结果的精确和概括性，分析中选取了8个节点，其中测点1、3、5、7点分别位于仓壁底部、1/3高度、2/3高度、顶部的外壁，测点2、4、6、8点分别位于仓壁底部、1/3高度、2/3高度、顶部的内壁。

2.2 结果分析

通过热分析并结合灰库内壁贮灰荷载，得出灰库温度场及环向应力云图如下。

对计算结果采用图表方式对比分析见图4、图5。

由图4、图5可以看出，在保温层作用下工况2库体内、外壁环向温度应力显著低于未设保温层的工况1，在不设保温层工况1下，库体外壁最大环向拉应力达到9.44MPa，库体内壁最大环向压应力-7.54MPa，而增设保温层后的工况2下，库体外壁最大拉应力减小至3.43MPa，库体内壁最大环向压应力减小至-4.79MPa。

由图6、图7可知，在热-结构耦合分析中，筒仓底部外壁本受压应力，随着温度的增加，在温度应力影响下，逐步转变为拉应力，并持续增大；筒仓中部内壁本受拉应力，随温度作用的增大，其逐渐转变为压应力，并持续增大；筒仓其余外壁受拉应力的均随温度增大而增大；筒仓其余内壁受压应力的也随温度增大而增大。可见保温层显著改善筒仓内外壁受力性能。

3 计算结果与规范对比

我国《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB50077-2003）中，在第4章4.1.1条中注明：无实践经验时，环境温度作用按永久荷载计算，直径21m～30m的筒仓可按其最大环向拉力的6%计算，直径大于30m的筒仓可按8%计算。但是现今大量大直径筒仓结构温度应力研究结果表明，温度应力对结构产生的作用，往往远大于贮料侧压力对结构产生的作用。表2为有限元计算结果与按规范要求8%计结果对比。

由表2可知，随着内外壁温差的持续增加，内外壁的温度应力远大于规范所假定的8%标准。主要原因在于规范规定的是温度效应造成的环向拉力，而上表对比的是库壁环向应力，随后通过midas计算，对环向拉力进行对比，发现当仓壁内外温差为20℃时，温度效应引起的最大环向拉力为120kN/m，而有灰体侧压力引起的最大环向拉力为1126kN/m,比例为11%，略大于规范规定。由此可知，温度效应对于筒仓的环向拉力影响有限，而由于分别增大了外壁拉应力和内部压应力，故而对于筒仓的环向平面内负弯矩影响较大，而这是规范没有说明的。

灰库筒仓分析工况列表 表1

温度应力计算结果与规范对比（单位：MPa） 表2

4 结 论

①通过对各工况有限元分析得出的环向应力值变化关系可以看出，整个筒仓结构应力较大的区域出现在距筒仓底部至1/3高度处以及库顶与环梁连接处，主要是由于该区域底板及顶板环梁刚度较大，对于筒壁的变形约束强，从而导致该处温度应力较大，该结果与实际工程中筒仓结构容易出现裂缝的区域吻合较好，说明用有限元软件Ansys对筒仓结构进行结构温度分析和静力分析的结果是可靠的，在今后设计中，可在筒壁与底板局部交接处适当增大壁厚，将该局部区域设定为变截面。对于环向应力值和位移值相对较大的区域，可以采取增加环向配筋抵抗应力等措施确保结构整体的稳定性。

②筒仓结构存在内外温差时，筒仓结构的整体变形特征为筒仓库壁向外倾斜，内侧面受压，仓壁外侧面普遍受拉，而之前工程设计中普遍采用内壁与外壁环向钢筋面积一致的做法，这在抵抗实际存在的温度应力时欠妥，今后设计中，可相应增加外壁受拉区配筋，适当减少内壁受压区配筋，从而使整个结构布置更加合理，提高仓壁的抗裂性能。

③当灰库内外壁温差20℃时，引起的温度环向拉力约占最大环向拉力11%左右，略大于《筒仓规范》中6%～8%最大环向拉力的规定，但是其引起的内、外壁环向压、拉应力却远大于8%，这样就说明温度效应对于仓壁环向平面内负弯矩影响作用较大，从而对配筋影响较大，同时在气候恶劣地区，库壁内外温差较大，按照规范6%～8%估算温度效应较不安全，应建模分析。

④在灰库外壁使用保温材料后，有效地降低了温度作用，但由于保温层费用较高、耐久性一般，当灰库工程所处地区气候环境较好，内外壁温差不超过40℃时，宜采用增大外壁配筋的方式代替设置保温层，而在北方等极寒冷地区,是否采用保温层，可根据本文分析方法，经过热-结构耦合计算后确定。

[1]陈应波，李秀才，张雄.大体积混凝土浇注温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报，2004（2）.

[2]张朝晖.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]田野.现浇混凝土施工期温度及应力分析[D].上海：同济大学，2000.

[4]龚召熊.水工混凝土的温控与防裂[M].北京：中国水利水电出版社，1999.