圆筒煤仓仓壁受力特征研究

2016-01-19田洲

选煤技术 2016年2期

田洲

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北唐山 063012)

圆筒煤仓作为储存煤的容器，具有利于环保、占地少、卸料通畅、易于机械化操作等优点，在选煤厂应用非常普遍。随着筒仓理论研究的深入和施工技术的提高，目前筒仓的直径和容量都有了很大的提高，但是按照GB50077—2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》[1](以下简称“筒规”)设计的筒仓在使用过程中出现裂缝、发生破坏的情况却时有发生[2]。为提高筒仓的安全性和可靠性，保证生产的正常运行，对圆筒仓的受力特征进行深入研究十分必要。文章基于Janssen理论[3], 利用有限元SAP2000软件建立模型，通过深入分析研究储煤圆筒仓仓壁的受力机理，找出可能存在的安全隐患,以期为选煤厂圆筒煤仓设计提供参考。

1 工程概况及计算参数

研究以四川省煤炭产业集团有限责任公司石洞沟选煤厂原煤仓设计为例来进行说明。该选煤厂圆筒煤仓为混凝土结构，直径(内径)为15 m，高度为32.6 m；为筒壁和内柱共同支撑结构，筒壁、仓壁均采用250 mm厚C30混凝土，第1层设两个车道(图1)，在标高+10.475 m平面布置四个漏斗(图2)，仓顶采用收口形式，仓上采用混凝土框架结构；抗震设防烈度为6度，结构设计基准周期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数1.0。根据GB50359—2005《煤炭洗选工程设计规范》，原煤重力密度为11 kN/m3，内摩擦角为32°，摩擦系数(对混凝土板)为0.5；根据GB50583—2010《选煤厂建筑结构设计规范》规定,本地区风荷载W=0.4 kN/m2，屋面活荷载为0.5 kN/m2。

图1 首层平面布置图

图2 首层1-1剖面图

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型的确定

根据储煤圆筒仓的结构类型及受力特点，有限元单元的类型采用壳单元，本工程中壳单元为曲面，其薄膜应力和弯曲应力耦合具有平面内外的刚度，既能承受膜力，也能承受弯曲应力[4]。

2.2 材料属性

本工程圆筒仓采用C30混凝土，根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》，弹性模量Ec=3.00×104N/mm2，抗压强度fc=14.3 N/mm2，抗拉强度ft=1.43 N/mm2，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3。

2.3 有限元模型及荷载

对混凝土圆筒仓结构，采用有限元SAP2000软件建立三维模型(图3)，采用壳单元。对圆筒仓上部混凝土框架结构进行简化，仅计入其质量[6]；圆筒仓基础埋深较大，故首层底部视为嵌固端。

根据“筒规”，本工程圆筒仓为浅仓，故忽略沿仓壁周长总竖向摩擦力，作用于仓壁单位面积上的水平压力成梯形分布，底部最大为64 kN/m2，上部环梁处最小为16 kN/m2，如图4所示。

图3 圆筒仓有限元模型

图4 仓壁荷载示意图

3 受力特征分析

3.1 动力特性

储煤圆筒仓结构在地震作用下的动力响应情况不仅与储煤荷载有关，同时与结构的动力特性有关[7]。结构的动力特性既能反映出结构本身整体刚度的大小和分配的均匀程度，也是结构动力设计中最重要的参数和其他各类动力学设计的基础[8]。模态分析主要用于确定结构自身的动力特性，如固有频率和各阶阵型。混凝土圆筒仓结构前3阶的自振频率及阵型特征如表1所示。

表1 结构阵型频率与阵型特征Table 1 Structural formation frequency and characteristics

由表1可以得出，该仓结构阵型特点为：①基频适中，基本频率为2.72 Hz，说明该结构刚度较大，利于结构抗震；②由结构前3阶阵型可以看出，呈现平动、平动、扭转的阵型分布特征，符合GB50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，结构以平面振动为主，体现了结构良好的动力特性，布置较合理。

3.2 受力特征分析

根据“筒规”计算得到储煤水平压力并施加于结构，得到仓壁的环向拉应力云图，如图5所示。由“筒规”计算公式ph=kγs(其中：ph为作用于仓壁单位面积上的水平压力；k为侧压力系数；γ为储料的堆密度；s为储料锥体重心至所计算截面的距离)计算得到的仓壁环向拉应力ph和有限元分析得到的环向拉应力，绘制出仓壁环向主拉应力对比折线图，如图6所示。

图5 仓壁环向主拉应力云图

图6 仓壁环向主拉应力对比图

由“筒规”公式4.2.6-1计算得到的最大主拉应力出现在仓壁与环梁相交处，且随着高度的增加呈线性分布；通过有限元计算得出最大主拉应力出现在储料锥体重心至截面底部1/4处，并在顶部环梁处出现拉应力增大的突变；在储料荷载作用下，环梁对仓壁的约束作用在储料锥体重心至截面底部1/4范围内明显，使薄弱部位上移，有限元计算结果与实际储煤仓易产生裂缝位置相符。

综上分析，按“筒规”公式计算基本上能满足工程需要，但对薄弱部位的判断存在明显不足之处，因此对于结构的薄弱环节，在工程设计中应注意予以加强。