多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁整体有限元结构分析.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 2卷 ， 第 1期 ， 2 0 1 5年 1月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 2，No 1 ，J a n 2 0 1 5 多漏 斗型钢煤 斗与混凝土支撑梁整体有 限元结构 分析 F i n i t e E l e me n t S t r u c t u r a l An a l y s i s o f Mu lt i p l e S t e e l Co a l Ho p p e r a n d Co n c r e t e Su p p o r t B e a m 陈 辉 CHEN Hu i f 浙 汀 省 审 寸 1 设 计 院 浙 汀杭 州 3 1 0 01 2 摘要 ： 结合工程实例 ， 对浙江浙能六横 电厂 的多漏斗型钢煤斗与 混凝 土框架支 撑梁进行 空间整体 有限元结 构分析 ， 得 到钢 煤斗应力和混凝土支撑梁支座处反力 。同时利用 P K P M软件将煤斗作为荷载输入 ， 建立混凝土框架梁模 型 ， 并将框架梁 支座处反 力和有限元结果进行对 比， 得 出钢煤 斗与混凝 土支撑 梁整体 分析是有必要 的， 并对节点进行优化设计 以便施工。 关键词 ： 多漏斗型钢煤斗 ； 混凝 土支撑梁 ； 有 限元结构分析 ； 节点优化设计 ； 支座 中图分类 号： T U 3 7 5 1 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 5 ) 0 l一 0 0 1 50 4 煤 斗 是 火 力 发 电厂 供 煤 系 统 中 的一 个 重 要 构 筑 物 ， 通 常 为方 形 、 圆形 或上 方下 圆等 规则 对称 的 形式 ， 但是随着工艺要求越来越 复杂多变 以及框架 结 构 梁柱 布置 的 限制 ， 异 型 钢 煤 斗 越 来 越 多 。相 比 于对称 规则 的钢煤 斗 ， 异 型钢煤 斗 的受力 更 为复 杂 ， 因此 对煤 斗采 用有 限元 计 算 已非 常 普 遍 ， 但 绝 大 部 分 设 计均 假定 煤 斗 支 座 为 三 向铰 接 ， 并 没有 将 混 凝 土支 撑梁 整体 建 入 模 型 ， 同时 未 考 虑煤 斗 支 座位 移 差 的影 响 。 本 文 结合 浙 江 浙 能 六横 电厂 的钢煤 斗 ， 通过 应 用有 限元软 件 A N S Y S 进 行 钢煤 斗 与混 凝 土支 撑 梁 的空间整体分析， 对计算模型进行修改和试算 ， 确定 加劲 肋 的位 置 和大小 ， 确 定煤 斗支 座应 力 ， 计算 混凝 土支 撑 梁 的内力 和 配 筋 ， 以此 来 保证 结 构应 力 和变 形符 合 规范 要求 。 1 钢煤 斗结构型式 浙江浙能六横 电厂转运站考虑一期、 二期卸煤 问题 ， 在转运站 中设置 了一个煤斗作 为中转 。煤 斗 为一 分 四结 构 ， 即煤 斗 具有 4个 漏斗 。煤 斗 外 型见 图 1 。煤 斗上 部为 1 0 8 m 1 2 m 矩形 钢 煤 斗 ， 下 部 变成 为 4个 3 1 6 8 m x 3 1 6 8 m 的 漏 斗 。整 个 煤 斗 搁置在中问的混凝土框架上。煤斗支座和纵、 横向 加 劲肋 采用 型 钢 ， 煤 斗壁 厚 1 0 m m， 均 为 Q 2 3 5 B。煤 斗的容积为 1 0 7 8 m 。从煤斗 的外形可以看 出， 该 煤 斗 具有 以下 特点 ： ( 1 )根 据 钢 筋 混 凝 土 筒 仓 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 7 7 -2 0 0 3 ) ， 该煤斗筒仓属于浅仓 ； ( 2 ) 漏 斗 挂 在 混 凝 土 梁 的斜 面 上 ， 所 以 混 凝 土 梁 的截 面形状 为不 规则 ； ( 3 ) 漏斗 挂 点 与 混 凝 土 梁 埋 件 相 连 ， 为 保 证 斗 壁受拉 ， 节点处增加局部加劲肋。 2计算模型 的建 立 2 1 模 型 的建 立 结构 模型 包括 煤斗 壁 、 加 劲肋 和 混凝土 梁 。 在有限元建模 时 ， 采用 混合法模 拟实 际结 构。即用板壳单元 s h e l l 6 3模拟煤斗壁 ， 用 b e a m1 8 8 单 元 模 拟 加 劲 肋 ， 用 s o l i d 4 5 来 模 拟 ? 昆凝 土 梁 。 A N S Y S 模 型见 图 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 2 5 作 者简 介 ： 陈辉 ( 1 9 8 3 一)， 男 ， 浙江龙游人 ， 工程师 ， 从 事电力土建结 构设计工作 。 l 6 浙江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 2 5 0 0 2 9 0 0 2 9 0 0 2 5 0 0 3 2 5 5 0 7 5 5 0 7 5 3 2 5 l 1 2 2 5 6 0 楼层 立 I j _j 2 l 4 10 = _ b _ l 4 00 4 00 0 4 O OO 1 4 00 _ 1 4 6 6 0 + J | 量 。 I ，1 H 。 J l - _ I _L l l j 主 I 圭 I 圭 120 兰 l 1 50 4 I 1 R 1 5 8 4 【 【 1 5 8 4 一 1 l- 1 2 1 2 0 图 1 煤 斗 整体 结 构 图 图 2 ANS YS煤 斗 模 型 2 2 参数 设 置 钢 材 的 弹性 模 量 为 2 0 61 0 MP a ， 泊松 比为 0 3 ， 密 度 为 7 8 k N m 。混 凝 土 的 弹 性 模 量 为 3 1 0 MP a ， 泊 松 比 0 2 ， 材 料 密 度 2 5 k N m 。 。 S h e l l 6 3单 元厚 度 1 0 m m。 2 3 边界 条件 实际结 构 中 ， 钢 煤 斗支撑 在 混凝 土梁 上 ， 混凝 土 梁 部 分铰接 于 混凝 土 框 架 梁 上 ， 部 分 刚 接 于框 架 柱 上 。在 A N S Y S模 型 中在混 凝 土粱端 设 置一 块钢 板 ， 用 于施 加 铰接 约束 和 固定约束 。 2 4 加 裁 根据 钢筋 混凝 土简 仓设计 规 范( G B 5 0 0 7 7 2 0 0 3 ) 进行荷载 计算 ， 煤 的重 力密度 为 y=1 0 k N m ， 内摩擦角 西= 3 8 。 。筒仓压 力计算简图见图 3 。 ( 1 ) 料 顶 面 或 料锥 体 重 心 以下 距 离 S ( m) 处 ， 作用在斗壁单位面积上的水平压力为 P =k y s ， k=t a n ( 4 5 。 一+ e ) ( 1 ) ( 2 ) 料 顶 面 或 贮 料 锥 体 重 心 以下 距 离 ( m) 处 ， 作用 在煤 斗壁单 位 面积 上的竖 向压 力为 第 1期 陈辉： 多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁整体有限元结构分析 l 7 P =T s ( 2) ( 3 ) 漏斗壁 的切 向压力应按下式计算 ： P =P ( 1一k )。s i n o t c o s o t ( 3) ( 4 ) 漏 斗 壁 的法 向压力 应按 下式 计算 ： P = ， =C O S +k s i n ( 4 ) 图 3贮 料 压 力 分 布 简 图 各漏 斗壁 的法 向 荷 载施 加 在 A N S Y S中通 过 参 数 化设 计 语 言 ， 并 编写 函数来 施 加漏 斗壁 切 向荷 载 。 3 计算结果与 结果分 析 3 1 计 算 结果 由于建模 时在 框 架梁端 部 采用 钢板 模拟 支座 ， 人N l 。 3 8 删4 7 7 4 56 3 6 4 8 7 9 5 5 I 弘 3 5 8 6 f 4 3 l 6 4 FI k T5l a ) 煤 斗成 力l到 因此支 座处 会产 生 应 力集 中。根 据 圣 维南 原理 ， 支 座 处集 中应 力可 以不 予 考 虑 。经 过 不 断试 箅 ， 煤 斗 的应 力 图 、 位 移 图 见 图 4， 煤 斗 壁 最 大 应 力 为 1 4 3 1 6 4 MP a ， 煤斗 壁板 最大 位移 为1 2 5 2 3 m r n 。 计 算 得 到 框 架 梁 的 支 座 反 力 。 支 座 编 号 见 图 5， 具 体数 值 大小 见表 1 。 3 2计算 分析 从 结 果分 析 ： ( 1 ) 钢煤斗 的最 大位 移满足规范要求 ， 1 2 5 2 3 mm a 1 5 0 =2 6 7 mm。 ( 2 ) 从 应 力 分 布 来 说 ， 除 去 支 座 处 产 生 的 应 力 集 中 以外 ， 煤 斗 应 力 均小 于 Q 2 3 5钢 材 的 强 度 设 计 值2 1 5 M P a 。支座处 的应力集中可以通过增加加劲 肋解 决 。 ( 3 ) 支座 反力误 差 分析 ： 煤 的重量 l 0 7 8 m x 1 0 k N m =1 0 7 8 0 k N： 钢煤 斗 重量 9 8 m 7 8 k N m = 7 6 4 4 k N； 混 凝 土 框 架 梁 重 量8 5 8 m 2 5 k N m = 2 1 45 k N； 实 际总 重 ： 1 3 6 8 9 4 k N。 误差 率 =( 1 3 6 8 9 41 3 5 9 4 4 )l 3 5 9 4 4 1 O 0=0 7 从 结果 得 出支座 反力误 差 较小 ， 符合 实际情 况 ， 计算结果是可靠的。 ( 4 ) 根据 支 座 处 的 反力 ， 可 以计 算 混 凝 土 框 架 梁 配筋 。 人N R s Y 3 t 。 f A VG) 嚣 I i I I I I j f l O l 39l 2 7 8 3 4 l 7 4 5 56 6 6 957 8 3 48 9 74 1 l l 3l l 2 5 23 Fi l e： T5l 图 4煤 斗计 算 结果 b ) 煤 斗位移 l 8 浙 江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 图 5支座分布及编号 表 1 A N S Y S支座反力的计算结果 3 3 与 其他 建模 方法 的计算 结果 比较 为确 保 A N S Y S计 算 的结 果 正 确 ， 采 用 P K P M 软 件将 煤 斗 本 体 作 为 荷 载 输 入 ， 建 立 混 凝 土 框 架 梁整体空间模 型 ， 得到支座处的反力见表 2 。将表 2和表 1中的支 座 反 力进 行 对 比 ， 发现 混 凝 土 粱 剪 力 的误 差 均 在 1 0 以 内 ， 而 弯 矩 的 误 差 相 对 来 说 要 大一 点 ， 特 别 是 9号 节 点 ， 差 距 最 大 。这 是 因为 在 A N S YS 模 型 中 ， 将 此 处 实 际 的 混 凝 土 框 架 柱 模 拟成 一 个 刚接 节 点 ， 和 实 际 情 况 相 差 较 大 ， 所 以 这 个 误差 也 是 可 以被 接受 的 。因此 认 为 A N S Y S的模 拟 是正 确 的 。 表 2 P K P M 支座反力的计算结果 3 4节 点 优 化 设 计 多漏斗型钢煤斗与混凝土支撑梁协同_丁作 ， 上 半部 分钢煤 斗 支撑 在 混 凝 土梁 顶 面 ， 钢 漏 斗 部分 与 混凝 土斜 面上 的埋件 焊接 。同时为解 决钢 煤 斗支 座 处 的集 中力 问题 ， 设 置局部 加劲 肋 ， 并 且 同时考 虑 了 施工 安 装 的可 行性 和方便 性。具 体 节点 详 图 见 图 6。 o 图 6节点详 图 ( 下 转 第 2 3页) 第 1期 魏杰等： 基于烦恼率的大跨度预应力楼盖舒适度评价 2 3 本 一致 。烦 恼率 更 能定 量地体 现 在一定 振 动强度 下 产生 不舒 适 的人 的 比例 ， 能 给设 计 者 带 来 更 直 接 的 感受 ； 在同一舒适度划分段 内， 烦恼率的变化幅度远 大于均方根加速度的变化幅度 。采用简化边界条件 的 简化 结构 在舒 适度 评 价 中产 生 频率计 权 均方 根 的 误差 不超 过 1 0 ， 说 明该 简 化 结构 能 有 效 地模 拟 大 跨度预应力楼盖在整体结构中的振动 响应 ， 该简化 是合 理 的 。 参 考 文 献 1 张四伟 路面平 整度动荷载有 限元分 析及应用 D 郑州 ： 郑 州大学 ， 2 0 0 9 2 宋志刚 基于烦 恼率模 型的工程结 构振动 舒适度 设计新 理论 D 杭州 ： 浙 江大学 ， 2 0 0 3 3 S h e n Y J ， S o n g J ， S o n g Z G E v a l u a t i o n o f h u ma n c o m f o r t u n d e r r e p e a t e d i n t e r m i s s i o n v i b r a t i o n s J A d v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h，2 01 1 ，2 61： 2 9 93 0 5 4 戴显荣 ， 蔡若红 利用 AN S YS模拟 分析预 应力混 凝土 J 浙 江交通科技 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 2 22 4 5 张群朝 全身 振动环 境舒适 性评 价 J 中国工业 医学 杂志 ， 1 9 9 3 6( 4)： 2 4 02 4 3 ( 上接第 1 8页) 4 结 语 本 文 通 过 对结 构 进 行 有 限元 分 析 ， 可 以得 到 以 下 结论 ： ( 1 ) 通过有限元方法对 多漏斗型钢煤斗与混凝 土 支撑 梁进 行 整体 空 间 分 析 ， 可以得 到应 力 集 中位 置 、 应力大小和混凝土梁的计算 内力。同时将结果 和 实 际的荷 载 重量 以及 P K P M 中得 出的结 果进 行 比 较 ， 证明计算结果真实可靠。 ( 2 ) 钢煤斗 的加劲肋处、 钢煤 斗与混凝土支撑 梁 的连 接 节 点 处 会 出现 应 力 集 中及 钢 结 构 应 力 偏 大 ， 混凝 土 则容 易形 成裂 缝 ， 因此 在此 处增 加加 劲肋 加 以解 决 ， 并需 严格 控 制焊缝 质 量 。同时 ， 由于混凝 土支撑梁为上小下大的不规则形状 ， 钢筋密集 ， 而且 还 有埋 件 ， 所 以此处 混 凝 土施 工 质 量 必 须严 格 加 以 控制 ， 以便保证 昆 凝土支撑梁和整体结构的安全。 1 2 3 4 参 考 文 献 王秀逸 ， 张平生 特种 结构 M 北京 ： 地震 出版社 ， 1 9 9 7 关富玲 ， 翁雁麟 ， 王小 丽， 等 钢煤斗结构 的有限元分析 J 工 程设计 学报 ， 2 0 0 6 ， 1 3 ( 3 ) ： 1 7 01 7 4 杜新 喜 ， 施 浩 ， 范振 中 ， 等 钢煤 斗有 限元结 构分析 的探讨 J 武汉 大学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 8 89 1 张玉峰 ， 朱前亮 ， 陈立 新， 等 双漏 斗型钢煤 斗有 限元结构分 析 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 J 电力建设 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 42 7 张玉峰 ， 朱前亮 某电厂钢煤斗有 限元空 间分析 J 武汉大学 学报 ： 工学版 ， 2 0 0 5， 3 8 ( 5) ： 8 38 7 张玉峰 ， 常猛 ， 孙瑜 蔚 椭圆形 钢煤斗有 限元空 间分 析 J 武 汉大学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 8， 4 1 ( 增 1 )： 2 2 6 2 2 9 陈志卫 ， 姜东 ， 林娜 ， 等 超大型和多漏斗 型钢煤斗有限元分 析 J 武汉大学学报： 工 学版 ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 增 1 ) ： 1 0 8一I I I 张江霖 ， 吴斐 ， 杜新喜 ， 等 有 限元程序 A N S Y S在钢煤 斗中优 化设计 中的应用 J 武汉 大学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 增 1 ) ： 2 12 4 凌锋 ， 朱庆东 煤 斗选型及设计 探讨 J 电力 土木设计 ， 2 0 0 9 ( 2)： 58 中国煤炭建设 协会 G B 5 0 0 7 7 -2 0 0 3钢筋混凝 土筒仓设计规 范 S 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 4 钟金周 ， 方伟定 ， 余智 恩， 等 异型钢煤 斗荷载 施加与 结构有 限元分析 J 武汉大学 学报 ： 工学版 ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 增 1 ) ： 3 0 3 3 0 6 北京钢 铁建 设研 究总 院 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3钢 结构设 计 规范 S 北 京： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 中国建筑科学研究院 GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混凝土结 构设计规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 陈精一 ， 蔡 国忠 电脑 辅助工 程分析 A N S Y S使用 指 南 M 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 1 龚曙光 A N S Y S基础应用及范例解析 M 北 京： 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 3 博弈 创作 室 AP D L参 数化 有 限元 分析 技 术及 其应 用 实例 M 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 4