支撑高度对异型钢煤斗受力性能的影响

邹冰川

(中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，河南平顶山 467000)

0 引言

出于对储煤斗容积率的优化要求和由于布置设备受到限制等原因，常常能够看到异型钢煤斗在火力发电厂中使用。由于结构布置的不规则导致钢煤斗局部会产生应力集中，也会导致较大的挠曲变形［1，2］，设计时只能借鉴《钢筋混凝土筒仓设计规范》［3］和《贮仓结构设计手册》［4］。由于有限元软件的出现，可以通过对钢煤斗进行有限元分析，得到钢煤斗在荷载作用下的受力性能，能够更好的指导设计。本文通过ANSYS有限元分析，论证支撑高度对异型双漏斗钢煤斗受力性能的影响。

图1 异型煤斗结构布置图

1 钢煤斗结构特征

现有工程因设备给煤机布置要求出煤口应为矩形且出煤口中心距仅3 m，又因对于厂房容积率的优化要求以及因为工艺设备布置限制等原因形成了此异型双漏斗型钢煤斗。结构方案见图1，入煤口为7．8 m×8 m，仓壁高4．6 m，漏斗高11 m，下煤口为1 m的方形口。在仓壁四周用16根竖向加劲肋当做支承。选用Q235钢材，其结构形式和加劲肋布置情况如图1所示。

2 模型的建立与参数选取

2．1 模型建立

煤斗壁和加劲肋使用不同的单元模拟，模拟煤斗壁时选用Shell63单元，用Beam188单元建立煤斗壁上的加劲肋。由于模型信息能够通过修改实常数更改，较为方便。有限元模型如图2所示。

2．2 约束和荷载

在竖向加劲肋支撑低端施加全部约束，按刚性节点考虑。

根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》，当煤斗H/b＜1．5时可以分为浅仓，储料的密度r=1．3×103kg/m3，内摩擦角为40°，摩擦系数为0．35，冲击影响系数取1。

在储料作用下，钢煤斗所受荷载分为三类，如图3所示。

图2 有限元模型

图3 储料压力荷载分布图

1)作用在仓壁上单位面积的水平侧压力:

其中，K 为侧压力系数，K=tan2(45°－40°/2)。

2)作用在仓壁上单位面积的切向应力:

3)作用于仓筒内壁单位面积上的法向压力:

由公式可以看出钢煤斗内壁水平侧压力的值随高度s变化，而漏斗内壁切向应力和法向应力的值与高度s以及漏斗壁板的倾角α的三角函数有关。在有限元程序ANSYS中采用APDL参数化语言施加Pt和Pn可以很容易实现。

3 计算结果分析

《火力发电厂土建结构设计技术规定》［5］要求，钢煤斗壁厚不应选取小于10 mm的板，实际取值应比理论计算值多2 mm。通过以往煤斗计算结果及本工程试算分析，壁厚计算一般取12 mm能够满足要求。本文通过ANSYS分析比较12 mm的壁厚在材料非线性，同时考虑材料和几何非线性两种情况下来分析不同支撑高度对煤斗的影响。整理的结果如表1，表2所示。加大而减小，变形却随着支撑高度的增加而增大，但是增加和减小的幅度很小。煤斗整体的最大应力位置在随高度变化的时候均未变化，位于汽机房侧漏斗出煤口处。煤斗壁的最大变形位于汽机房和锅炉侧漏斗第二根加劲肋和第三根加劲肋之间。加劲肋的最大应力位于锅炉房和扩建端第四根加劲肋相交接的位置。加劲肋最大变形位于锅炉房漏斗第三根加劲肋处。

表1 Q235考虑材料非线性

表2 Q235考虑材料非线性和几何非线性

考虑材料非线性和几何非线性，煤斗壁的最大应力随着支撑高度的增加而减小，并且最大应力的位置发生变化。支撑高度小于1 900 mm时最大应力发生在锅炉房侧上部仓壁和下部漏斗交接处，支撑高度大于2 280 mm时最大应力发生在下部出煤口处。煤斗壁的变形随着支撑高度的增加而增大，最大变形位置位于汽机房和锅炉侧漏斗第二根加劲肋和第三根加劲肋之间。加劲肋的最大应力随着支撑高度的增加而减小，出现在锅炉房和扩建端，第四根加劲肋相交接的位置。随着支撑高度的增加，加劲肋的变形逐渐变大，最大变形位于锅炉房漏斗第三根加劲肋处。

4 结语

从以上分析中可以得出如下结论:

1)对于异型钢煤斗，考虑材料非线性时支撑高度对其影响很小，但同时考虑材料和几何非线性支撑高度的变化不仅对其最大应力产生比较明显的变化，而且最大应力的位置也会随着支撑高度的变化而改变。

2)当同时考虑材料非线性和几何非线性的时候，支撑高度小于1 900 mm时最大应力发生在锅炉房侧上部仓壁和下部漏斗交接处，支撑高度大于2 280 mm时最大应力发生在下部出煤口处。

3)在考虑了几何和材料非线性后，对于支撑高度在1 267 mm以下的情形影响较大，其最大应力比考虑材料非线性时候的应力增大了19%左右。

4)煤斗的最大变形，对于两种情况最大变形都出现在煤斗壁上，随着支撑高度的增加变形有增大的趋势。但是对于最大变形的影响比较小，变形最大值为17．679 mm，满足《火力发电厂土建结构设计技术规定》的要求。加劲肋的最大变形为13．825 mm，同样满足要求。

［1］ 杜新喜，施 浩，范振中，等．钢煤斗有限元结构分析的探讨［J］．武汉大学学报，2003，36(4):88-91．

［2］ 关富玲，翁雁麟，王小丽，等．钢煤斗结构的有限元分析［J］．工程设计学报，2006，13(3):170-173．

［3］ GB 50077-2003，钢筋混凝土筒仓设计规范［S］．

［4］ 贮仓结构设计编写组．贮仓结构设计手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1999．

［5］ DL 50022-93，火力发电厂土建结构设计技术规定［S］．