基于ANSYS的圓變方“褲衩形”鋼制石灰石倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析

雷 曉 吳 量 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

石灰石倉(cāng)是火電廠、化工園區(qū)的重要構(gòu)筑物。傳統(tǒng)的石灰石倉(cāng)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(duì)稱的形式，但是隨著工藝要求越來(lái)越復(fù)雜多變以及設(shè)備布置的限制，異型石灰石倉(cāng)越來(lái)越多。

以青海鹽湖某項(xiàng)目4臺(tái)500 m3石灰石倉(cāng)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(chǎng)制作、安裝，工期短，具有良好的塑性和沖擊韌性，變形能力強(qiáng)，能承受一定的動(dòng)荷載，項(xiàng)目石灰石倉(cāng)采用鋼制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)生產(chǎn)工藝、設(shè)備布置及操作、運(yùn)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(cāng)有著諸多的優(yōu)勢(shì)，但相比于對(duì)稱規(guī)則的石灰石倉(cāng)，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(cāng)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(jì)算中需要充分考慮。截至目前, 還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)這類形狀石灰石倉(cāng)的設(shè)計(jì)給出明確的應(yīng)力和變形的計(jì)算公式。

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

1 工程實(shí)例

石灰石倉(cāng)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(guò)渡，具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 圓變方“褲衩形”石灰石倉(cāng)簡(jiǎn)圖

底部出料口采用兩個(gè)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(cāng)。由于石灰石倉(cāng)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(qiáng)支撐。

該石灰石倉(cāng)具有以下特點(diǎn)：

(1)高徑比0.4

(2)上口為圓形，下口為兩個(gè)方形，中間為圓變方漏斗狀異形過(guò)渡，結(jié)構(gòu)突變，加勁肋設(shè)計(jì)時(shí)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(xiàng)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(shí)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(jì)算速度、效率降低，且對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高?？紤]到石灰石倉(cāng)上部直筒部分受力較好，本文重點(diǎn)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(cāng)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(cāng)采用ANSYS有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)分為兩部分，即石灰石倉(cāng)壁和加勁肋，采用板殼單元shell63模擬石灰石倉(cāng)壁，采用beam188單元模擬加勁肋，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 石灰石倉(cāng)有限元模型

2.2 材料特性

鋼制石灰石倉(cāng)筒體和漏斗段均選用Q235B鋼板，石灰石倉(cāng)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(duì)鋼板的摩擦系數(shù)μ=0.3。

2.3 模型加載

本文參考淺倉(cāng)模型的載荷計(jì)算方法并考慮石灰石倉(cāng)自重，將荷載加載到有限元模型中，為了簡(jiǎn)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(jiàn)圖3。

圖3 淺倉(cāng)貯料壓力示意圖

貯料壓力的計(jì)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(cāng)壁單位面積上的水平壓力為ph應(yīng)按下式計(jì)算：

ph=kγS

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

pv=γS

(3)漏斗壁的切向壓力pt應(yīng)按下式計(jì)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(jì)算:

pn=ξpv

ξ=cos2α+ksin2α

由上述計(jì)算式可見(jiàn)，倉(cāng)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(duì)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(shí)情況更為相符，模型加載見(jiàn)圖4。

圖4 石灰石倉(cāng)模型加載

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)上述有限元模型進(jìn)行求解，得到了計(jì)算結(jié)果。觀察石灰石倉(cāng)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(cāng)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(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中“褲衩”襠部外側(cè)角點(diǎn)是應(yīng)力最集中的部位，應(yīng)力值最大，達(dá)到525.36MPa，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 石灰石倉(cāng)總應(yīng)力分布

而石灰石倉(cāng)漏斗側(cè)壁各交界位置處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值為122.13 MPa，其余應(yīng)力分布較為均勻，見(jiàn)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(cāng)位移分布云圖見(jiàn)圖8。

圖8 石灰石倉(cāng)位移分布云圖

可以看出，最大位移發(fā)生在應(yīng)力集中點(diǎn)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(zhǎng)/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(jiàn)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(guò)90.92 MPa，極大值出現(xiàn)在圓變方“褲衩”交界面襠部角點(diǎn)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(duì)加勁肋受力做單獨(dú)分析。

改善石灰石倉(cāng)的受力，降低石灰石倉(cāng)應(yīng)力集中和減小變形是石灰石倉(cāng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的最主要問(wèn)題。在石灰石倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)，增加石灰石倉(cāng)的壁厚對(duì)改善其受力性能作用較為明顯，但當(dāng)壁厚超過(guò)一定值時(shí)，其增大引起的受力改善相對(duì)有限[3]，同時(shí)造成石灰石倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)自重增加較多，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)要求也越苛刻，經(jīng)濟(jì)性較差。為解決這一問(wèn)題，應(yīng)該著重考慮從加勁肋規(guī)格調(diào)整和方位布置來(lái)分析對(duì)倉(cāng)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(lái)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L(zhǎng)180×18，經(jīng)過(guò)ANSYS計(jì)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(jiàn)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(jiàn)，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(jìn)一步優(yōu)化石灰石倉(cāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，減小倉(cāng)體變形，模型僅在圓變方“褲衩”交界面沿倉(cāng)體外表面向上增加豎向加勁肋。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，見(jiàn)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(guò)優(yōu)化，本例圓變方“褲衩形”石灰石倉(cāng)的設(shè)計(jì)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(guò)合適的焊接工藝，讓加勁肋與倉(cāng)壁成為一個(gè)整體，在貯料變荷載作用下，相鄰構(gòu)件通過(guò)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(yǔ)

(1)采用ANSYS對(duì)石灰石倉(cāng)進(jìn)行有限元計(jì)算可以使模擬分析與現(xiàn)實(shí)情況更為相符，確定石灰石倉(cāng)最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)的位置，通過(guò)不斷調(diào)整石灰石倉(cāng)加勁肋的布置和規(guī)格，反復(fù)試算，有效控制石灰石倉(cāng)的應(yīng)力和變形，達(dá)到了石灰石倉(cāng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fèi)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)為了降低石灰石倉(cāng)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(duì)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(cāng)漏斗側(cè)壁鋼板變形或位移較大時(shí)，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(duì)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。