某电厂钢煤斗结构计算及分析

余友谊

广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023

煤斗是火力发电厂的重要的构筑物，设在主厂房的煤仓间内，经输煤栈桥运至主厂房的煤就储藏在这里，它属于筒仓类结构，受力较为复杂。目前，针对煤斗还没有专门的计算应力和变形的公式，也没有专业的设计规范，一般参考《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB500772-2003）、《粮食钢板筒仓设计规范》（GB50322-2001）及《火力发电厂土建结构设计技术规定》（DL5022-93）。本文就印尼拉法基水泥公司自备电厂原煤斗的结构设计进行简要介绍和分析。

1 原煤斗荷载分析

煤斗的主要结构构造有钢筋混凝土结构和混凝土结构。本例中的原煤斗采用的是钢结构，与混凝土结构相比，其具有自重轻、强度大、良好的塑性和韧性、变形能力强、施工简单等优点。根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB500772-2003），h/d＜1.5，该煤斗的筒仓属于浅仓，荷载按浅仓计算。

采用钢结构计算软件STAAD/CHINA 2005对原煤斗进行有限元模拟。该原煤斗设计采用的是3个对称的矩形漏斗，施工简单，应力与变形分布均匀，受力较好。原煤斗斗壁厚12mm，计算时按10mm考虑，采用Q235B钢板（泊松比为0.3，弹性模量为2.06×105MPa，强度设计值为215MPa，密度为7.85× 103kg／m3）焊接而成；斗壁外侧纵向用扁钢（-10×100及-12×180）加强；横向用角钢（L80×10及L200×125×18）加强；斗壁底部四周均采用槽钢（[20b和[18b）加强。

煤重度取γ=10kN/m3，内摩擦角φ取30度。图1为煤斗受力简图。由图上可知，煤斗内壁上作用力分别有：煤粉在煤斗内壁单位面积上的水平侧压力标准值ph、竖向压力标准值pv、切向应力标准值pt以及法向压力标准值pn。

图1 煤斗受力简图

以上作用力的计算公式如下：

pv=γs，其中γ为煤粉的重力密度，s为为贮料顶面至计算截面的距离；

ph=kγs，其中k为侧压力系数，本设计中k=tan2(45-φ/2)=1/3；

由上述公式可知，煤粉对斗内壁的竖向压力标准值pv和水平侧压力标准值ph与s线性相关，切向应力标准值pt以及法向压力标准值pn在与s线性相关的同时，还与下部漏斗的倾角α相关。

因为板单元无法直接施加切向面荷载，在此将切向面荷载换算为集中荷载施加于每片板单元的中心，集中荷载包括水平分量及竖向分量：Fx=Aptcosα，Fy=Aptsinα。

根据《钢筋混凝土结构筒仓设计规范》（GB 500772--2003）对于承载能力极限状态，荷载组合取lc=1.2×自重+1.3×煤压力；对于正常使用极限状态，荷载组合取lc=1.0×自重+1.0×煤压力。

2 计算结果及分析

受到煤粉的作用力会产生变形，必须对煤斗的所受的应力进行计算，并校核其强度和挠度。本例中原煤斗的模拟变形图见图2。由图可知，需要对原煤斗斗壁、加劲肋中的扁钢进行应力分析，并校核强度，而加劲肋中的角钢有较大的弯曲变形，既需要校核强度，也需要校核挠度。

图2 原煤斗变形图

原煤斗应力计算分为两部分：斗壁Von Mises应力和加劲肋应力计算。其挠度计算也可分为斗壁与加劲肋的挠度计算。

2.1 斗壁Von Mises应力

煤斗壁板按四边固定板计算，

σ=6Mmax/γxt2≤fy，其中γx为塑性发展系数，fy为钢材抗拉强度设计值，；Mmax为板内最大弯矩。

图3为斗壁Von Mises应力图，最大Von Mises应力出现在漏斗部分。根据计算所得结果，斗壁的最大应力为61.938N/mm2小于极限应力，满足要求。

2.2 加劲肋应力

按受弯构件计算，σ=M/γxωnx≤fy，其中，M为跨中弯矩，ωnx为加劲肋截面抵抗矩。

图3 斗壁Von Mises应力图

1）纵向加劲扁钢应力

计算时分两组扁钢，分别位于纵向立面（3个煤斗的正面）和横向立面。计算得，纵向立面扁钢（-12×180）中最大压应力为202.836N/mm2，最大拉应力为159.773N/mm2；横向立面扁钢（-10×100）中最大压应力为203.361N/mm2，最大拉应力为123.277N/mm2，均满足要求。

2）加劲角钢应力

计算时分三组加劲角钢，分别位于煤斗上部立方体内壁、煤斗下部漏斗纵向立面和横向立面。计算得，第一组角钢（L80×10）中最大压应力为89.202N/mm2，最大拉应力为77.717N/mm2；第二组角钢（L200×125×18）中最大压应力为111.371N/mm2，最大拉应力为112.01 N /mm2；第三组角钢（L200×125×18）中最大压应力为125.431N/mm2，最大拉应力为74.49 N /mm2，均满足要求。

2.3 斗壁挠度计算

υ=βqka4/Et3≤[υ],其中β为塑性调整系数，a为为计算板块之短边边长，qk为计算深度处的平均水平压力标准值，E为钢板弹性模量，t为壁厚。

2.4 加劲肋挠度计算

本例中的加劲肋变形主要需要校核三组加劲角钢产生的弯曲变形。

挠度υ=5qkl4/385EIx≤[υ]，其中l为加劲肋的计算长度，Ix为加劲肋截面惯性矩。计算得第一组加劲角钢的最大挠度为2.087mm，第二组角钢的最大挠度为4.886mm，第三组角钢的最大挠度为1.019mm，均满足要求。

3 结论

钢煤斗是大型火力发电厂主厂房一个重要的建筑物，本文结合工程实例不仅对钢煤斗的荷载进行充分的分析，并准确计算了钢煤斗的斗壁和加劲肋的截面选择及挠度、强度核算，以上数据望能对推广钢煤斗在火力发电厂中的应用尽一份力.

[1]刘智敏.矩形钢煤斗的受力分析与结构设计[J].工程建设与设计，2008(10)：23-26.

[2]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，2003，36(4)：88-91.

[3]张震，王黎明.浅谈钢煤斗的设计[J].山西建筑，2009，35(7)：69-70.

[4]肖景强，王秀英.钢煤斗制作优化设计[J].科学之友，2009(35)：12-13.

[5]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，2005，38(5)：83-87.