钢结构固体筒仓设计优化

徐利新

摘 要：本文从中小型火力发电厂常见的钢结构筒仓设计的角度，从筒体壁厚，结构支撑点，加强圈梁，荷载组合，有限元分析验证等方面提出了优化设计的建议。

关键词：钢结构；筒仓；设计；荷载组合；有限元；ST梁支撑梁支撑D

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.010

1 概 述

钢结构筒仓结构广泛应用于农业、矿业、化工、电力等诸多领域中，作者多年从事火力发电厂锅炉辅机除灰工程设计，为除灰、渣、脱硫、补充床料等系统配套钢结构筒仓，如飞灰仓，渣仓，石灰石粉仓，砂仓等。

此类筒仓一般容积大于15m3，设计压力小于0.1Mp梁支撑。一般结构为圆筒形筒体，圆锥料斗结构，储料容积从50-1000m3大小不等。筒体一般钢板卷制，主体可以分体，仓体部分，钢架，爬梯等部分组成。

2 设计优化

按照国内在筒仓设计规范进行设计，为在筒仓设计中贯彻执行国家政策，做到安全适用、技术先进、经济合理，现从荷载组合，支撑结构及加强圈梁设计，筒体壁厚的设计， 锥料斗角度及仓顶坡度，有限元分析应力等方面谈谈设计优化建议。

2.1 荷载及组合

筒仓在设计时主要考虑以下载荷：

（1）料仓结构自重；（2）储存物料重量；（3）仓顶及运转层设备载荷；（4）地震及风载荷；（5）其它载荷（如：压力，热膨胀，检修等）。

以上几类载荷中绝对值最大的是储存物料重量，它由储料容积乘以堆积密度得到。但容积有筒仓的几何容积，有效容积，最大储料容积等几个概念，取值不同，载荷会有10-20%左右的偏差。对支架梁柱的结构设计，会产生较大的影响。建议采用有效储料容积（考虑可能最大储料机率）。另外，还有一个因素就是堆积密度。实际的堆积过程中可能有储料高度较大，物料压实的情况，实际堆密度会大于理论值。

在实际工程中，一些业主单位要求在计算结构受力，要求加大的物料的堆密度。对于荷载组合分项系数，G柱支撑50322-2001 粮食钢板筒仓设计规范中对储存物料的荷载1.3，其它可变荷载取1.4 ，地震作用取1.3 。风荷载参与组合时，组合情况述详见相关标准。

2.2 支撑结构及加强圈梁设计

（1）工程实践中，常见的料仓支撑于建筑物钢架，或单独设计支撑钢架，如钢灰库是独立钢架，这类钢架还要满足运转层设备布置，以及底层通车的要求。其支撑点的设计常见有，直接支撑于梁上或立柱端头，内切和外切两种。

同样直径的仓体，梁支撑结构仓体支撑于梁上，仓传力于梁，梁传力到柱。 柱支撑 结构仓体直接支撑于柱上，未经梁传递受力，柱间梁只起到稳定的作用。两者相比优劣同在：

梁支撑结构跨距大，支撑梁受大弯矩，用钢量大，但结构稳定性好，平台宽，通车能力好。

柱支撑结构跨度小，受力结构好，用钢量小，竖向稳定性稍差，平台及通车小于梁支撑。

（2）另外仓体支撑座的形式也有多种结构可选，主要有裙座式，短裙座式，加强环耳式等。 在此推荐短裙座式支座，详见见图1具体结构，对于筒体锥体的连接，支撑受力形式，支撑灵活性应好于其它，详述如下：序1为筒体第一层环板，序2为锥体板，序3为加强筋板，序4底部支撑环板，用于支撑钢架粱或柱端。这个结构中序1.2.4之间形成了一个三角结构，结构稳定，序1通过序4传力于梁或柱。序2与序1之间密封焊接，结构受力可有可靠保证，序1、2之间焊接要求，比图2可以降低很多。同时序1受侧弯的受力前者也要小很多，设计壁厚同样可以降低。

2.3 筒体壁厚的设计

按N柱支撑/T47003.2-2009圆筒的应力计算，分轴向应力，周向应力两类，轴向主要有设计压力产生的轴向应力，物料与仓壳间磨擦产生的轴向应力，最大弯矩产生的轴向应力，仓壳自重及垂直地震力产生轴向应力。 圆周应力主要由物料产生的水平压力应力。通过轴向，圆周向两类应力的组合来验证仓壳应力是否设计允许范围内。根据筒体根据储料的高度不同，筒体所受力是变化的，越是底部受力越大，所以在设计筒体壁厚，变壁厚设计是比较合理的，也就是在筒底部仓壁厚按设计取相应大值，而到上筒体上部，壁厚逐渐变薄，在不同壁厚环焊接缝连接处，通过过渡坡口，使焊接处壁厚一致，确保不出现应力集中的现象，确保焊接质量及结构强度。通过变壁厚设计，更符合实际的受力，同时也节省了钢材。

2.4 锥料斗角度及仓顶坡度

锥料斗的角度直接关系筒仓卸料的顺畅，理论上应按物料的物理特性设计，主要考虑物料粘性，物料的安息角，有无气化等辅助破拱措施在来确认，锥壁与水平面夹角，理论上不小于60度。在料斗下空间允许的情况下，提高到65度 。

室外料仓仓顶应考虑排水坡度，因仓顶一般要布置除尘器等设备，坡度不宜过大，建议取2-3% 。

2.5 有限元分析验证

通过学习N柱支撑/T47003.2-2009可知，要想完整的计算一个料仓各处有受力，其实是不太可能的。规范也仅提供了主要筒体及锥体板的计算，对于支座的受力则相对复杂。

在有限元分析以及结构设计软件的日益丰富，以前手算难以解决的一些问题，可以由计算机得以模似实现，下面通过ST梁支撑梁支撑D PRO 软件的应力，来说明在筒仓设计中的应用。

建模。通过设计计算或参考资料，第一步按实际尺寸及结构设计，用软件制作结构模型；第二步，设定各梁，柱，板材料及截面尺寸与实际结构一致；第三步，施加载荷，包括，结构自重，物料重，各层设备重，风，地震载荷以及荷载组合；第四步，软件计算，输出设计结果，包括各点位移，梁，板单元应力等等；第五步，运用软件的另一模块SSDD，用普钢（G柱支撑50017-2003）进行规范检验，确认各梁，柱的应力，变形，稳定性情况符合规范；第六步，验证后输出报告，含支座反力，各梁，板单元应力，位移等所需信息。

3 结语

以上为个人在实际料仓设计中的一些总结及体会，有不对的地方提请同行批准指正。