支撐高度對(duì)異型鋼煤斗受力性能的影響

鄒冰川

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南平頂山 467000)

0 引言

出于對(duì)儲(chǔ)煤斗容積率的優(yōu)化要求和由于布置設(shè)備受到限制等原因，常常能夠看到異型鋼煤斗在火力發(fā)電廠中使用。由于結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則導(dǎo)致鋼煤斗局部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，也會(huì)導(dǎo)致較大的撓曲變形［1，2］，設(shè)計(jì)時(shí)只能借鑒《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］和《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［4］。由于有限元軟件的出現(xiàn)，可以通過(guò)對(duì)鋼煤斗進(jìn)行有限元分析，得到鋼煤斗在荷載作用下的受力性能，能夠更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)ANSYS有限元分析，論證支撐高度對(duì)異型雙漏斗鋼煤斗受力性能的影響。

圖1 異型煤斗結(jié)構(gòu)布置圖

1 鋼煤斗結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)有工程因設(shè)備給煤機(jī)布置要求出煤口應(yīng)為矩形且出煤口中心距僅3 m，又因?qū)τ趶S房容積率的優(yōu)化要求以及因?yàn)楣に囋O(shè)備布置限制等原因形成了此異型雙漏斗型鋼煤斗。結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1，入煤口為7．8 m×8 m，倉(cāng)壁高4．6 m，漏斗高11 m，下煤口為1 m的方形口。在倉(cāng)壁四周用16根豎向加勁肋當(dāng)做支承。選用Q235鋼材，其結(jié)構(gòu)形式和加勁肋布置情況如圖1所示。

2 模型的建立與參數(shù)選取

2．1 模型建立

煤斗壁和加勁肋使用不同的單元模擬，模擬煤斗壁時(shí)選用Shell63單元，用Beam188單元建立煤斗壁上的加勁肋。由于模型信息能夠通過(guò)修改實(shí)常數(shù)更改，較為方便。有限元模型如圖2所示。

2．2 約束和荷載

在豎向加勁肋支撐低端施加全部約束，按剛性節(jié)點(diǎn)考慮。

根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)煤斗H/b＜1．5時(shí)可以分為淺倉(cāng)，儲(chǔ)料的密度r=1．3×103kg/m3，內(nèi)摩擦角為40°，摩擦系數(shù)為0．35，沖擊影響系數(shù)取1。

在儲(chǔ)料作用下，鋼煤斗所受荷載分為三類，如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 儲(chǔ)料壓力荷載分布圖

1)作用在倉(cāng)壁上單位面積的水平側(cè)壓力:

其中，K 為側(cè)壓力系數(shù)，K=tan2(45°－40°/2)。

2)作用在倉(cāng)壁上單位面積的切向應(yīng)力:

3)作用于倉(cāng)筒內(nèi)壁單位面積上的法向壓力:

由公式可以看出鋼煤斗內(nèi)壁水平側(cè)壓力的值隨高度s變化，而漏斗內(nèi)壁切向應(yīng)力和法向應(yīng)力的值與高度s以及漏斗壁板的傾角α的三角函數(shù)有關(guān)。在有限元程序ANSYS中采用APDL參數(shù)化語(yǔ)言施加Pt和Pn可以很容易實(shí)現(xiàn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［5］要求，鋼煤斗壁厚不應(yīng)選取小于10 mm的板，實(shí)際取值應(yīng)比理論計(jì)算值多2 mm。通過(guò)以往煤斗計(jì)算結(jié)果及本工程試算分析，壁厚計(jì)算一般取12 mm能夠滿足要求。本文通過(guò)ANSYS分析比較12 mm的壁厚在材料非線性，同時(shí)考慮材料和幾何非線性兩種情況下來(lái)分析不同支撐高度對(duì)煤斗的影響。整理的結(jié)果如表1，表2所示。加大而減小，變形卻隨著支撐高度的增加而增大，但是增加和減小的幅度很小。煤斗整體的最大應(yīng)力位置在隨高度變化的時(shí)候均未變化，位于汽機(jī)房側(cè)漏斗出煤口處。煤斗壁的最大變形位于汽機(jī)房和鍋爐側(cè)漏斗第二根加勁肋和第三根加勁肋之間。加勁肋的最大應(yīng)力位于鍋爐房和擴(kuò)建端第四根加勁肋相交接的位置。加勁肋最大變形位于鍋爐房漏斗第三根加勁肋處。

表1 Q235考慮材料非線性

表2 Q235考慮材料非線性和幾何非線性

考慮材料非線性和幾何非線性，煤斗壁的最大應(yīng)力隨著支撐高度的增加而減小，并且最大應(yīng)力的位置發(fā)生變化。支撐高度小于1 900 mm時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在鍋爐房側(cè)上部倉(cāng)壁和下部漏斗交接處，支撐高度大于2 280 mm時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在下部出煤口處。煤斗壁的變形隨著支撐高度的增加而增大，最大變形位置位于汽機(jī)房和鍋爐側(cè)漏斗第二根加勁肋和第三根加勁肋之間。加勁肋的最大應(yīng)力隨著支撐高度的增加而減小，出現(xiàn)在鍋爐房和擴(kuò)建端，第四根加勁肋相交接的位置。隨著支撐高度的增加，加勁肋的變形逐漸變大，最大變形位于鍋爐房漏斗第三根加勁肋處。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析中可以得出如下結(jié)論:

1)對(duì)于異型鋼煤斗，考慮材料非線性時(shí)支撐高度對(duì)其影響很小，但同時(shí)考慮材料和幾何非線性支撐高度的變化不僅對(duì)其最大應(yīng)力產(chǎn)生比較明顯的變化，而且最大應(yīng)力的位置也會(huì)隨著支撐高度的變化而改變。

2)當(dāng)同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性的時(shí)候，支撐高度小于1 900 mm時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在鍋爐房側(cè)上部倉(cāng)壁和下部漏斗交接處，支撐高度大于2 280 mm時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在下部出煤口處。

3)在考慮了幾何和材料非線性后，對(duì)于支撐高度在1 267 mm以下的情形影響較大，其最大應(yīng)力比考慮材料非線性時(shí)候的應(yīng)力增大了19%左右。

4)煤斗的最大變形，對(duì)于兩種情況最大變形都出現(xiàn)在煤斗壁上，隨著支撐高度的增加變形有增大的趨勢(shì)。但是對(duì)于最大變形的影響比較小，變形最大值為17．679 mm，滿足《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的要求。加勁肋的最大變形為13．825 mm，同樣滿足要求。

［1］ 杜新喜，施 浩，范振中，等．鋼煤斗有限元結(jié)構(gòu)分析的探討［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，36(4):88-91．

［2］ 關(guān)富玲，翁雁麟，王小麗，等．鋼煤斗結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］．工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2006，13(3):170-173．

［3］ GB 50077-2003，鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］ 貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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．

［5］ DL 50022-93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］．