趙 輝，馬 鋒，李啟宏

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

在火力發(fā)電廠主廠房煤倉間設(shè)有鋼煤斗，用來儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)輸煤棧橋運(yùn)至主廠房的煤，由于鋼材材質(zhì)均勻、自重輕、強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)、有良好的塑性和沖擊韌性，而且施工方便、速度快且經(jīng)濟(jì)性較好［1］，近年來鋼煤斗已在許多燃煤火力發(fā)電廠中被廣泛采用。對(duì)電廠鋼煤斗在設(shè)計(jì)荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，得到鋼煤斗各個(gè)部位的應(yīng)力和變形［2］，找到應(yīng)力集中和應(yīng)力變形較大的部位，從而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為以后的設(shè)計(jì)工作提供借鑒。

1 工程概況

某電廠采用的鋼煤斗上口尺寸8.0 m×7.5 m，下口尺寸2.0 m×0.8 m，該煤斗為單軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，煤斗結(jié)構(gòu)如圖1所示。煤斗直段2.0 m，斜段11.9 m，直段較小，采用支撐式結(jié)構(gòu)布置困難，鋼煤斗采用懸掛式結(jié)構(gòu)，煤斗直段支撐于皮帶層的煤斗梁牛腿上。該煤斗下接落煤管道，上部與皮帶層樓面板封閉連接。

圖1 煤斗視圖

2 鋼煤斗的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

鋼煤斗在設(shè)計(jì)中參照《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，采用全手算進(jìn)行設(shè)計(jì)，煤斗斜壁設(shè)計(jì)厚度14mm，橫向加勁肋選取3種不同大小截面，熱軋角鋼L200×125×16、L180×110×16、L160×100×14，縱向加勁肋為 160 mm×10 mm，煤斗材料選用Q235鋼材。根據(jù)鋼煤斗幾何尺寸，利用MIDAS軟件建立實(shí)體模型，整個(gè)鋼煤斗構(gòu)件均采用板單元進(jìn)行計(jì)算［1，3］。煤斗儲(chǔ)煤容重 13.6 kN /m3，儲(chǔ)煤內(nèi)摩擦角取 30°［1，3-4］，則側(cè)壓力系數(shù)為［1，4］

式中：φ為煤的內(nèi)摩擦角。

分別按豎向荷載和水平壓力對(duì)煤斗加載，豎向荷載大小為

式中：γ為煤的容重；h為儲(chǔ)煤深度；α為煤斗斜壁的傾斜角度。

水平壓力大小為

鋼煤斗的有限元模型如圖2所示。由于工程中鋼煤斗為懸掛式結(jié)構(gòu)，且上部懸掛于牛腿處點(diǎn)焊連接防止滑動(dòng)，故模型中對(duì)牛腿支撐處施加剛性位移約束。計(jì)算中考慮材料自重，記恒荷載為DL，活荷載LL，則荷載組合為 1.1×（1.2DL+1.3LL）［2-4］，進(jìn)行有限元計(jì)算。

圖2 鋼煤斗有限元模型

2.2 有限元模型的建立

鋼煤斗在設(shè)計(jì)荷載作用下的Mises應(yīng)力如圖3所示，位移如圖4所示。鋼煤斗的應(yīng)力變形有如下分布規(guī)律：

1）鋼煤斗在橫向加勁肋角部轉(zhuǎn)折處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象［1］。鋼煤斗最大應(yīng)力發(fā)生在從上至下第5號(hào)橫向加勁肋角部，最大應(yīng)力為208.03 MPa。各層橫向加勁肋角部交匯處都有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，圖中可明顯看出角部交匯處周圍應(yīng)力迅速降低。

圖3 設(shè)計(jì)荷載作用下鋼煤斗應(yīng)力云圖

圖4 設(shè)計(jì)荷載作用下鋼煤斗位移云圖

2）鋼煤斗斜壁段應(yīng)力普遍較低，最大應(yīng)力也在斜壁相交的角部和斜壁與豎直段連接處為59.4 MPa，如圖5所示。鋼煤斗斜壁與豎壁相交處出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部最大應(yīng)力達(dá)到161.7 MPa，如圖6所示。煤斗斜壁和橫向加勁肋應(yīng)力分布符合實(shí)際規(guī)律，中間和兩端應(yīng)力較大，其他地方應(yīng)力較小，該模型能反映鋼煤斗真實(shí)的受力情況。

圖5 斜壁相交處局部應(yīng)力云圖

圖6 斜壁與豎壁相交處局部應(yīng)力云圖

3）鋼煤斗較大斜壁的中部及其加勁肋位移最大，最大位移為16.45 mm。主要原因是該處荷載較大且橫向加勁肋尺寸較長(zhǎng)，其他地方位移逐漸減小，符合變形特征分布。

2.3 加密網(wǎng)格后的對(duì)比分析

為精確計(jì)算局部應(yīng)力集中對(duì)煤斗壁和加勁肋的影響，在計(jì)算中將MIDAS模型的網(wǎng)格劃分更加細(xì)化［5］，以期望得到更精確的結(jié)果，但計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想，其原因是MIDAS進(jìn)行有限元計(jì)算單純考慮有限元網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行荷載傳遞，要想得到更精確的結(jié)果需要將橫向加勁肋的網(wǎng)格更加細(xì)化。但考慮到橫向加勁肋與斜壁的連接，若將所有網(wǎng)格均進(jìn)行過分細(xì)化會(huì)大大增加工作量且大部分細(xì)化工作沒有必要，因此MIDAS在模擬構(gòu)件接觸方面較遜色于其他專業(yè)有限元計(jì)算軟件。

原網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)細(xì)化后，計(jì)算結(jié)果如圖7～10所示。在所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力均存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與實(shí)際的應(yīng)力分布情況有一定的出入，局部位置不能真實(shí)反映各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

圖7 網(wǎng)格細(xì)化后橫肋局部應(yīng)力云圖

圖8 網(wǎng)格細(xì)化前橫肋局部應(yīng)力云圖

圖9 網(wǎng)格細(xì)化后斜板局部應(yīng)力云圖

圖10 網(wǎng)格細(xì)化前斜板局部應(yīng)力云圖

3 有限元結(jié)果與手算結(jié)果對(duì)比分析

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，該鋼煤斗應(yīng)力較大部位主要集中在水平角鋼加勁肋轉(zhuǎn)角處和跨中處，角部應(yīng)力最大，起控制作用。按照《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行鋼煤斗設(shè)計(jì)時(shí)同樣是通過計(jì)算跨中和支座端彎矩進(jìn)行加勁肋設(shè)計(jì)，現(xiàn)將1～16號(hào)加勁肋的有限元計(jì)算結(jié)果與手算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖11～12所示。

圖11 橫向加勁肋端部應(yīng)力比較

由圖11～12對(duì)比分析可知，橫向加勁肋支座端部應(yīng)力遠(yuǎn)大于跨中應(yīng)力，端部起控制作用。手算所得跨中應(yīng)力較MIDAS計(jì)算偏小，手算所得端部應(yīng)力較MIDAS計(jì)算普遍偏大，這是因?yàn)槭炙惆捶忾]內(nèi)框架計(jì)算橫向加勁肋端部和跨中彎矩，并沒有考慮斜壁與加勁肋的共同作用，但曲線整體變化趨勢(shì)較為一致，端部個(gè)別點(diǎn)MIDAS計(jì)算結(jié)果較大是由于轉(zhuǎn)角處網(wǎng)格劃分問題和縱向加勁肋交角的應(yīng)力集中所致。鋼煤斗斜板手算最大應(yīng)力為115.42MPa，同樣遠(yuǎn)大于MIDAS計(jì)算結(jié)果66.3MPa，因此根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏于保守的。

圖12 橫向加勁肋跨中應(yīng)力比較

通過MIDAS有限元分析與手算結(jié)果對(duì)比分析可知，該鋼煤斗在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)，且應(yīng)變很小，強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。鋼煤斗橫向加勁肋角部轉(zhuǎn)折處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象［1］，角部周圍應(yīng)力逐漸減小，至橫向加勁肋中部應(yīng)力較大，符合真實(shí)受力特征。根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算結(jié)果偏于保守，完全能滿足設(shè)計(jì)安全需要。針對(duì)鋼煤斗橫向加勁肋角部應(yīng)力增大現(xiàn)象，可以考慮減小橫向加勁肋的整體截面大小，并采取一定的角部加強(qiáng)措施保證其安全性。如在斜壁角部通常加厚設(shè)置弧形鋼板，既防止了角部積煤，也減小了應(yīng)力，或加厚橫向加勁肋端部的厚度等，這樣在滿足設(shè)計(jì)安全的情況下節(jié)省了鋼材，縮減了造價(jià)，但加強(qiáng)的同時(shí)使施工工藝變得復(fù)雜，可在以后的工程中酌情考慮進(jìn)行角部加強(qiáng)。

4 結(jié)語

分別利用MIDAS有限元分析軟件計(jì)算和根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》手算對(duì)電廠鋼煤斗應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，為電廠鋼煤斗設(shè)計(jì)提供了 借鑒。研究表明，鋼煤斗在橫向加勁肋角部為受力薄弱部位，可在今后的工程中進(jìn)行加強(qiáng)處理。