徐 欣 吳曉龍

(北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100043)

1 概述

鋼筒倉(cāng)為常用的貯料結(jié)構(gòu)，在冶金、煤炭、化工、石化行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其平面形狀一般為圓形或矩形，采用上部裝料、底部卸料的方式，貯存的物料為固體散料[1]。相對(duì)于混凝土筒倉(cāng)，鋼筒倉(cāng)具有自重輕、對(duì)基礎(chǔ)要求低、周期短、占地面積小、勞力省、成本低等特點(diǎn)。同時(shí)，鋼筒倉(cāng)的施工基本不受季節(jié)、天氣等因素影響，并且在一定使用年限后可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行回收利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與同容量鋼筋混凝土筒倉(cāng)相比較，鋼筒倉(cāng)的鋼材用量與其混凝土筒倉(cāng)鋼筋用量幾乎相當(dāng)，而且水泥用量較?。换炷镣矀}(cāng)因自重和高度對(duì)其基礎(chǔ)費(fèi)用較高，總投資約高出15%。因此鋼筒倉(cāng)在我國(guó)冶金行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文結(jié)合GB 50084—2013鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范[2]，采用通用有限元軟件MIDAS GEN對(duì)某鋼筒倉(cāng)進(jìn)行有限元分析與設(shè)計(jì)，首先，按照規(guī)范要求施加荷載，分析其在受力狀態(tài)下的整體力學(xué)特性，計(jì)算倉(cāng)壁及漏斗的等效應(yīng)力(Von-Mises應(yīng)力)，與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。其次，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更為細(xì)致的網(wǎng)格劃分，調(diào)整鋼板厚度，根據(jù)等效應(yīng)力小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的原則，完成筒倉(cāng)細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2 鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

河北某原料系統(tǒng)鋼筒倉(cāng)，裝滿時(shí)容量約為580 m3，所盛物料容重為20 kN/m3，內(nèi)摩擦角為30°，物料與倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)取0.3。其中，倉(cāng)壁直徑為7.5 m，高度為10.86 m，下部漏斗上端直徑為7.5 m，下端直徑為0.8 m，高度為7.1 m，支座位于倉(cāng)壁上部，共4處，沿圓周每90°設(shè)置，并且支承于混凝土八卦梁上部，混凝土梁與支座之間安裝工藝稱量壓頭。倉(cāng)頂沿倉(cāng)壁外側(cè)設(shè)置頂部環(huán)梁，采用不等邊角鋼140×90×10，倉(cāng)頂平面鋼梁端部接于環(huán)梁處，其中最大鋼梁采用槽鋼20a，跨度7 435 mm，其余鋼梁采用槽鋼12.6。倉(cāng)頂采用6厚平鋼板間斷焊接于鋼梁上部。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，倉(cāng)壁及漏斗變壁厚處采用剖口焊接，保持倉(cāng)壁外側(cè)平面平齊，其結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。

2.2 荷載作用

該鋼筒倉(cāng)倉(cāng)壁高度與直徑之比小于1.5，其貯料壓力荷載按照淺倉(cāng)計(jì)算，其計(jì)算詳見(jiàn)《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》4.2.7條規(guī)定[2]。倉(cāng)頂平面設(shè)有卸料口，倉(cāng)上部設(shè)有混凝土框架梁和樓板(與倉(cāng)頂平面不接觸)，卸料設(shè)備座于混凝土樓板上方，因此倉(cāng)頂平面按不上人屋面計(jì)算。由于鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)位于室內(nèi)，因此不考慮風(fēng)荷載的影響。此外，施工時(shí)要求結(jié)構(gòu)合攏溫度為(15±5)℃，考慮±25 ℃的溫差作用，并按照規(guī)范進(jìn)行荷載組合。

2.3 有限元分析計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況建立鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)整體有限元模型，并按要求輸入上述荷載及邊界條件，如圖2所示。為節(jié)約鋼材量，倉(cāng)壁及漏斗在沿高度方向，根據(jù)應(yīng)力大小情況，采用不同的板厚，通過(guò)不斷的調(diào)整板厚，結(jié)構(gòu)最終計(jì)算結(jié)果如圖3所示。筒倉(cāng)倉(cāng)壁及漏斗各部位厚度及最大應(yīng)力列于表1。除倉(cāng)壁與漏斗交接處(詳見(jiàn)3.2節(jié)計(jì)算)鋼板應(yīng)力比超限以外，其余板件強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

本項(xiàng)目中支座位于倉(cāng)壁中上部，由于物料存在內(nèi)摩擦角，散料一般呈圓錐狀堆積，倉(cāng)壁(支座上部)環(huán)向壓力較小，而倉(cāng)頂又為不上人屋面，徑向壓力也比較小，因此可以選擇較小的壁厚；此外，在物料自重及側(cè)向壓力作用下，其余倉(cāng)壁及筒壁處于環(huán)向受拉、徑向雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，因此無(wú)需對(duì)板件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

表1 倉(cāng)壁及漏斗各部位最大應(yīng)力表

倉(cāng)頂設(shè)置的頂部環(huán)梁及平面鋼梁，其最大應(yīng)力為53 MPa，主要為撓度控制，計(jì)算滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》[2]，受彎構(gòu)件撓度容許值為計(jì)算跨度L的1/100,L為兩加勁肋間距。文中由于未設(shè)置加勁肋，根據(jù)有限元分析結(jié)果，倉(cāng)壁最大面外撓度為8.8 mm，倉(cāng)壁跨度為6.3 m，撓跨比為1/716<1/100。漏斗最大面外撓度為2.1 mm，漏斗局部跨度為0.53 m，撓跨比為1/252<1/100。因此結(jié)構(gòu)剛度也滿足規(guī)范要求。

3 鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 支座節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的筒倉(cāng)支座節(jié)點(diǎn)加勁肋設(shè)置較密集，板厚較厚，不易施工且耗費(fèi)鋼材量，本文對(duì)鋼筒倉(cāng)支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，其剖面如圖4所示。上、下環(huán)板與倉(cāng)壁垂直連接，并沿圓周設(shè)置。支座加勁肋設(shè)置于上、下環(huán)板之間，根據(jù)稱量壓頭的寬度，設(shè)置3道。加勁板1與上環(huán)板端部垂直連接，并沿圓周設(shè)置。加勁板2垂直設(shè)置于下環(huán)板上方，端部與支座加勁肋連接，僅在支座處局部設(shè)置。此外，上、下環(huán)板之間每間隔7.5°設(shè)置一道加勁板3，防止上、下環(huán)板面外失穩(wěn)。圖中除支座加勁肋采用Q345B外，其余板件均采用Q235B鋼材，板件之間均采用剖口焊縫或角焊縫連接。

通過(guò)調(diào)整板厚，支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)力如圖5所示，各板件最大應(yīng)力列于表2，均滿足強(qiáng)度要求。事實(shí)上，支座處下環(huán)板通過(guò)一塊厚鋼板(50 mm)擱置于稱量壓頭之上，其支座反力直接傳至支座加勁肋，由于受力不均勻，下環(huán)板平面內(nèi)位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致支座加勁肋底部產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，該局部壓應(yīng)力為318.8 MPa，小于鋼材端部承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fce=400 MPa，亦滿足規(guī)范要求。

3.2 倉(cāng)壁與漏斗交接處節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》第5.4.2節(jié)要求[2]，圓錐漏斗頂部與倉(cāng)壁交接處應(yīng)設(shè)置環(huán)梁，并滿足一定的要求。項(xiàng)目中對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在交接處一定高度范圍內(nèi)，增加接連處倉(cāng)壁與漏斗的厚度，并將加勁肋(每7.5°沿圓周)設(shè)置在倉(cāng)壁與漏斗之間，由于加勁肋側(cè)面與漏斗外側(cè)無(wú)法焊接，應(yīng)刨平頂緊，最后在底部設(shè)置環(huán)梁進(jìn)行封堵，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖6所示。

表2 支座處各板件最大應(yīng)力表

根據(jù)有限元分析結(jié)果，倉(cāng)壁與漏斗交接處應(yīng)力如圖7所示，倉(cāng)壁有效應(yīng)力最大值為208.6 MPa。其中環(huán)向拉力(1 663.0 kN/m)產(chǎn)生的拉應(yīng)力為83.2 MPa，徑向拉力(702.1 kN/m)產(chǎn)生的拉應(yīng)力為35.1 MPa。但是，這兩種內(nèi)力所產(chǎn)生的應(yīng)力并不是很大，因此導(dǎo)致有效應(yīng)力較大的原因是物料對(duì)倉(cāng)壁及漏斗的側(cè)壓力使得板件產(chǎn)生繞接縫處的平面外彎矩(10.7 kN·m/m)，由于板厚平面外的慣性矩極小，該彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力為160.5 MPa，組合后導(dǎo)致有效應(yīng)力的增大。實(shí)際上由于倉(cāng)壁與漏斗連接處采用剖口焊縫，焊縫本身具有一定的厚度，因此在連接處，實(shí)際計(jì)算彎曲正應(yīng)力的厚度應(yīng)為倉(cāng)壁與焊縫厚度之和，而在進(jìn)行有限元分析時(shí)，無(wú)法考慮這一有利作用的影響，因此該處略超過(guò)205 MPa也是符合規(guī)范要求的。

4 結(jié)論

本文對(duì)某鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元分析以及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)實(shí)際情況建立鋼筒倉(cāng)有限元模型，能夠直觀的反映板件的受力狀態(tài)，便于工程師開展設(shè)計(jì)工作。

2)在滿足規(guī)范要求的前提下，通過(guò)合理的調(diào)整板厚，提高鋼材利用率，從而達(dá)到節(jié)省鋼材的目的。

3)對(duì)倉(cāng)壁與漏斗交接處以及支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得各板件受力明確，易于結(jié)構(gòu)施工。