异型钢煤斗荷载施加与结构有限元分析.doc

异型钢煤斗荷载施加与结构有限元分析钟金周作者简介：钟金周（1977-），男，工程师，主要从事电厂土建结构设计。 方伟定 余智恩 童建国（浙江省电力设计院 杭州 310012）摘要：某电厂钢煤斗需采用煤斗梁作为本体一部分，在钢梁内侧增设过渡板，采用ANSYS的APDL解决局部阴角部分的荷载施加难题，通过调整加劲肋，得到合理的结构布置。关键字：异型钢煤斗；有限元分析；荷载施加中国分类号： TU398 文献标识码：A 文章编号：Load Application of Special-Shaped Steel Coal Bunker and Analysis of the StructureZHONG JINZHOU FANG WEIDING YU ZHIEN TONG JIANGUO（Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China）Abstract: In a steam turbine building, the support beams are applied as a part of the steel coal bunker. The liner plate is added to seal the H type beam. The APDL can solve the problem of load application in the inside corner in the area. Finally the reasonable and reliable results are obtained through parameter optimization. Key word: Special-Shaped Steel Coal Bunker；Finite Element Analysis；Load Application煤斗是火力发电厂主厂房一个重要的构筑物，根据厂房容积率的优化要求和工艺设备布置限制等原因，煤斗的结构形式也出现了由一般的圆形、方形等向各种组合形式的转变，如上方下圆、双漏斗等形式。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3.2m。又因控制厂房容积率，煤斗层与皮带层间距较小，如考虑矩形双漏斗型钢煤斗支撑在煤斗层钢梁上，则煤斗容积不能满足工艺要求。根据工程实际情况，煤斗支撑梁范围内的空间不能浪费，只有采用煤斗支撑梁作为煤斗的一部分，充分利用此处的空间，才能满足工艺煤斗容积要求，于是形成了此异型双漏斗型钢煤斗。结构方案见图1平面布置图及图2立面布置图。 图 1 煤斗平面布置图 图 2 煤斗立面布置图 图 3煤斗荷载示意图为了防止H型钢梁翼缘挂煤，保证落煤顺畅，需对煤斗支撑H型钢梁包边。即在作为煤斗本体一部分的H型钢梁内侧衬10mm厚钢板，采用三角板与煤斗壁过渡，节点如图4。1 荷载施加国家及有关部门的规程规范除火力发电厂土建结构设计技术规定对钢煤斗的设计有简单的几条设计条文说明，没有专门的煤斗设计规范。可供设计参考的有钢筋混凝土筒仓设计规范、贮仓结构设计手册和粮食钢板筒仓设计规范等。为保证结构设计合理安全，有必要对异型钢煤斗进行有限元计算分析。通用有限元程序ANSYS能够完成此项任务。1.1 有限元模型单元选取钢煤斗的设计主要有煤斗壁和加劲肋两部分。在有限元计算中主要有3种模拟方法：(1)实体模型，用实体solid45单元模拟。(2)板壳建模，用板壳单元shell63模拟。(3)板壳单元shell63模拟煤斗壁，用beam188单元模拟环梁及加劲肋。用beam188单元模拟环梁及加劲肋，模型的截面特性等几何特征可以通过修改实常数来改变，因此在方案比选、设计优化时效率高。本次计算中，根据异型煤斗实际情况，煤斗壁、支座处H型钢梁采用shell63单元模拟，加劲肋采用beam188单元模拟。1.2 荷载hn/dn6.94/6.81.021.5，根据钢筋混凝土筒仓设计规范规定，为浅仓。筒仓设计规范中煤斗的主要荷载可见图3煤斗荷载示意图。一般煤斗壁转折处均为阳角，对图4中所示阴角处斜板加载不适用，否则切向荷载将加反。根据贮仓结构设计手册，通过分析贮仓荷载原始公式推导，浅仓锥斗壁部分的荷载主要由法向压力和切向压力两部分荷载组成，见图5，即漏斗壁任意深度处：单位面积上的竖向压力： Pv=S单位面积上的水平压力：Ph=kS ，k=tg2(45。-/2)由竖向压力和水平压力向法向和切向分解，可得到漏斗壁法向压力和切向压力，即漏斗壁切向压力：Pt= Pv(1-k)sincos漏斗壁单位面积上的法向压力：Pn=Pv, =cos2+ksin2其中，为煤贮料重力密度，为煤贮料的内摩擦角。图 4 H梁衬板示意 图 5 漏斗壁压力示意图对于图4中阴角斜面板处的此类不规则斗壁荷载，为避免此处切向荷载施加困难问题，根据以上推导，可以直接施加贮料荷载竖向压力Pv和水平压力Ph两部分荷载。在有限元程序ANSYS中，采用APDL参数化语言施加Pv和Ph可以很容易实现。首先选择将要加载的单元，用*GET命令读取单元中心坐标和单元在三个坐标轴方向的投影面积，根据读取的单元中心坐标，可以求得S，相应可以求得此中心坐标处的单位面积竖向压力Pv和单位面积水平压力Ph。Pv乘以单元竖向投影面积，可得单元竖向总压力；Ph乘以水平X向投影面积，可求得单元水平X向总压力；Ph乘以水平Y向投影面积，可求得单元水平Y向总压力。把三个方向的单元总压力分别除以单元节点总数，可得单元上每个节点的三向节点荷载。把荷载施加方式改为累加，通过迭代，可以把每个单元的单元荷载全部转化为节点荷载。其中关于单元荷载的方向，可以在程序中设定，即把需要加载的煤斗壁面的法向正方向都设置成朝煤斗外侧，相应煤斗壁壳单元的法向向量也均朝外，则壳单元法向向量的三个方向余弦的正负即代表着三个压力荷载的正负。为了验证荷载施加是否正确，对以往常规煤斗和方变圆煤斗等根据此APDL参数化语言施加荷载重新计算，发现与原来按切向荷载施加所得结果相符。2 煤斗结构优化分析根据土规要求，煤斗壁厚取值应较计算值加2mm，并不得小于10mm。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8mm能够满足要求。煤斗计算最终主要是调整优化加劲肋，使结构变形满足要求。2.1 加劲肋优化分析根据贮仓结构设计手册钢仓章节中的形式与布置要求：当矩形边长an或bn=89m时，且有两个卸料口的钢漏斗，宜采用型钢加劲肋，并将前后两面的垂直加劲肋连接起来。为了便于比较，试算主要考虑加劲肋间距和大小。对于漏斗部分，水平加劲肋方案一采用角钢L125X12，竖向间距700mm；方案二采用HW2525-0914，竖向间距1400mm；方案三采用TM2525-0914，竖向间距1400mm，方案四根据方案二取消竖向扁铁-12X120加劲肋。结果比较详见表1。表1 各方案分析结果比较项次方案一方案二方案三方案四土规限值板的最大位移（mm）45.418.119.5101/板的最大挠度（mm）9.54.24.681.6/加劲肋的最大挠度（mm）45.413.914.919.4/最大应力（应力集中处）（MPa）331214218526/板的跨度/板的挠度(最小值)74 333 304 17 250加劲肋的跨度/加劲肋的挠度(最小值)133 450 405 364 150从表中可以看出方案一用角钢和竖向扁铁加劲，间距较密，整体变形较大，漏斗壁和加劲肋的挠度均不能满足规范要求；方案二满足要求；方案三采用T型钢，挠度和局部应力集中均较方案二大些，特别是在T型钢与煤斗连接处，从应力集中范围来看，满足要求；方案四在方案二的基础上，取消了竖向扁铁加劲，漏斗壁的双向板形式变成了典型的单向板，使得整个漏斗壁斜板刚度不协调，变形增大很多，从而引起局部应力集中较大。方案二、三对漏斗部分通过设置水平型钢加劲和竖向设置扁钢加劲配合使用，有效的减小煤斗壁的变形，使整个漏斗壁斜板变形协调，且满足规范要求，方案三具体位移云图可见图6。2.2 支座反力方案三中，程序计算的四个支座反力合力为5387kN。实际煤斗结构的容积为572m3，堆积密度为0.82t/m3，煤斗结构自重（包括钢梁）为783kN。实际计算结果为5720.829.81+783=4601+783=5384kN，误差为0.05，按此法施加荷载，静力平衡，认为荷载施加可靠。2.3 应力分析图7为方案三煤斗壁mises应力云图。图中可以看出，加劲肋在漏斗壁斜板与斜板交界处的应力最大，为218MPa，详细可见图8漏斗加劲肋在斜板交界处应力等值线。另外漏斗壁斜板与斜板交界处；加劲肋与斜板连接处；矩形仓壁、煤斗梁和锥斗之间的衔接局部区域等，都存在不同程度的应力集中现象。其余绝大部分应力一般小于120MPa。由于钢材具有良好的塑性变形能力，可以引起应力重分布，从而缓解应力集中，所以这种较小区域上的应力集中，不会对煤斗的整个结构安全造成影响。在局部应力集中区域，也应采取必要的构造措施，如控制焊缝质量，增加加劲肋等。从方案二与方案三局部应力比较来看，T型钢加劲肋与斜板连接处的应力集中明显，对T型钢加劲肋，有必要在T型钢与漏斗壁板之间增加一定的加劲节点板。在有限元建模计算时，也可能由于建模而导致的应力奇异有：单点加载或单点约束；凹角；模型之间采用单点连接；单点耦合或接触条件等。因此如果局部应力集中很大时，需要在局部区域加密网格。当应力集中很严重时，需采用实体建模，模拟实际焊缝和结构的连接，必要时对结构进行非线性分析。图 6 煤斗位移云图 图 7 煤斗壁mises应力云图 图 8漏斗加劲肋在斜板交界处应力等值线图3 结语（1）通过分析贮仓荷载原始公式推导，可采用APDL参数化语言施加煤斗壁贮料荷载Pv和Ph，无需将其分解为切向和法向荷载再施加，避免了施加复杂的切向荷载，可节省计算转化过程，且对任何复杂曲面均适用。通过对单元法向向量的控制，也避免了施加切向荷载可能导致的方向相反问题。可为其他类似荷载施加提供参考。（2）在参数优化过程中，最多修改的是加劲肋的间距和大小，煤斗薄壁平板只能通过与加劲肋组合后才能承担荷载作用下的弯曲变形。对漏斗部分，通过设置水平型钢加劲和竖向设置扁钢加劲配合使用，可以有效的减小煤斗壁的变形。此类煤斗主要以调整变形为主，壁厚按土规最小取值基本能满足要求。参考文献：1 DL50022-93 火力发电厂土建结构设计技术规定S北京：水利电力出版社，20012 GB50077-2003 钢筋混凝土筒仓设计规范S中国计划出版社，20043