矩形钢斗仓整体有限元结构分析

李　鹏

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京　100097)

矩形钢斗仓整体有限元结构分析

李鹏

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京100097)

摘要:利用ANSYS和STAAD.Pro有限元分析平台，对某电厂石灰石粉钢斗仓进行了整体有限元结构分析，分析结果准确反映了斗仓仓体和加劲肋在最不利工况下的应力分布和变形规律，为钢斗仓的设计提供了依据。

关键词:钢斗仓，STAAD.Pro，有限元分析，应力，加劲肋

0　引言

钢仓一般在厂房内部作为小型缓冲仓使用，或作为大型钢筋混凝土筒仓的漏斗使用。矩形钢仓斗属于特种钢结构，其计算方法主要依据《贮仓结构设计手册》，算术法计算耗时久，易出错，精度低。本文以河南省林州市某电厂石灰石粉仓钢斗仓为设计对象，利用ANSYS和STAAD.Pro两款有限元分析平台对钢斗仓进行整体有限元分析，分析结果互相校对，提高计算结果的正确性和可靠性。

1　斗仓建模

为更高效的建模和计算，在ANSYS模型中使用壳体单元Shell163模拟仓壁(见图1)，根据计算要求，不同高度区间内的仓壁壁厚不同。利用线单元Beam188模拟加劲肋，根据设计需要将Beam单元的截面修改成实际施工时的T形加劲肋，同时考虑到现场实际制造安装的方便，将T形加劲肋水平布置，而并非垂直于斜面。在STAAD平台下，选择使用板单元建模(见图2)，利用垂直的两块板来模拟T形加劲肋，同样水平布置。

图1　ANSYS面单元建模

图2　STAAD板单元建模

同时为了完全模拟斗仓上端与混凝土支持梁构件的连接边界条件，在斗仓顶部沿仓顶四周加设竖向仓壁板，将该L形板构件作为固定支座，并假设加劲肋，避免转角处出现较大的应力集中。图3中列出了该节点的实际形式和在不同计算平台下的模型渲染效果。从图3中可以看到通过调整Beam单元的属性，将梁偏心至T形钢底部与壁板连接，完整模拟实际效果。

图3　斗仓顶部固定节点结构形式

2　荷载输入

1)本仓体仓内贮料计算高度hn与矩形筒仓短边bn之比为1＜1.5，所以划分为浅仓。

2)贮料顶面以下距离s处，单位面积上的竖向压力pv为: pv=ρs;作用于漏斗壁单位面积上的法向压力pn=ξpv;漏斗壁切向压力pt= pv( 1－k) sinαcosα;漏斗底面受竖向压力pv;漏斗口四周仓壁受到水平压力: ph= kρs;查表得石灰石内摩擦角φ=35°，根据GB 50077—2003钢筋混凝土筒仓设计规范附录D中的表D-1得到ξ=0.431，k =0.271。

3)为方便在ANSYS平台下倾斜壁板的荷载输入，利用法向面单元Surf154，将倾斜仓壁板上的荷载分为该面单元上的法向荷载pn和切向荷载pt。

而在STAAD平台下可以直接输入斜板上的竖向压力pv和水平压力ph。

3　有限元分析

将模型在两个平台下进行有限元分析，结果如图4，图5所示。

整体结果反映出两平台下的模型最大Von Mis值比较接近，应力分布情况也一致:最大应力集中在两个方向斜壁板的交接楞上，这也是钢板焊接处，因此在施工过程中必须保证该位置焊缝的质量。同时在固定端L形结构下方的钢板应力也较大，此处为固定端到自由端的过渡区域，整个斗仓的荷载均传递至该位置，该区域的反角必须设置加劲肋，保护钢板拼接焊缝。

图4　斗仓整体应力云图

图5　斗仓整体变形位移图

仓壁变形最大的区域并未位于仓斗较深的中下方，而是比较靠近斗仓入口处，因为此处的平面尺寸较大，可见仓斗边长的尺寸的影响超过了压强沿深度变化的作用。因此该区域的壁厚和加劲肋尺寸最大，强度最高。

图6　斗仓入口局部应力云图

通过观察图6模型局部应力云图，能够发现最大应力除了出现在斜楞处之外，最上方的T形加劲肋端部的翼缘也出现了较大应力。这是因为在ANSYS中的T形加劲肋用Beam单元模拟，Beam单元在交点处并没有“断开”，两个方向的“线”共用交点，Beam单元在此处仍然连续，可以认为加劲肋为刚接。为了在STAAD模型中模拟出这种刚接效果，斜楞两侧垂直方向的两T形加劲板用板单元相连，因此能看到接近入口处出现了最大应力作用点，最大应力就集中在连接两侧的连接板处。该连接板两端的T形加劲肋在受力后将发生类似两端固结的梁的弯曲变形，而连接板则成为受到负弯矩的支座，出现应力集中。这在实际使用中是不利的。因此在施工图中并未设置这一连接板，T形加劲肋的两端为自由端，变形为简支梁的自由变形。T形加劲肋的作用是减少壁板板带中部的变形，防止仓壁“鼓包”，而并非为了保护端部的壁板搭接段。

4　结语

1)本文利用ANSYS和STAAD.Pro两大主流有限元分析平台对矩形斗仓进行有限元分析，两款平台下的分析结果接近，分析结果可靠有效。

2)两款平台各有优劣。

ANSYS利用其强大的前处理系统，充分选用和发挥不同单元的特性，快速的利用面单元和线单元建立模型，并且网格划分快捷，易操作。当然也可选用体单元精细建模，但建模和分析过程都比较耗时耗力，却可避免出现T形加劲肋在端部刚接的效果。其缺点是荷载输入不够灵活，本文巧妙的利用法向面单元辅助完成这一过程。

而STAAD.Pro在前处理阶段没有强大的单元库作为支撑，建模过程只能是由点围面，建模过程时间长，效率低。在荷载输入方面灵活易操作。后处理平台也支持中国《钢结构设计规范》检验，更加实用。

3)斗仓的应力最大处出现在两个方向的斜板交接斜楞处，此外固定斗仓的托板与斜板起始段的衔接处也是应力较大的地方。而所有应力较大的地方却都是用焊缝连接，因此对仓体的焊接必须严格要求，按照二级焊缝等级控制质量，并按钢结构工程施工及验收规范进行制作安装验收。安装完毕后增设防磨层和保护焊缝用的钢板，避免在机组运行使用过程中磨损焊缝，发生仓体损坏或者坠落等事故。

4)斗仓的变形最大处并不仅仅受到仓体深度影响，与仓体的平面尺寸或者直径亦相关，甚至平面尺寸起控制作用。最大变形区域接近斗仓高度的1/5内，因此不能忽略靠近入口处的加劲肋的尺寸和仓体钢板厚度。

5)斗仓斜板外侧的T形加劲肋端部不应两两相互连接，只做自由端，完全释放端部应力。

参考文献:

［1］王秀逸，张平生.特种结构［M］.北京:地震出版社，1997.

［2］《贮仓结构设计手册》编写组.贮仓结构设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［3］GB 50077—2003，钢筋混凝土筒仓设计规范［S］.

［4］张玉峰，朱前亮.双漏斗型钢煤斗有限元结构分析［J］.电力建设，2006，27( 2) :59-60.

Finite element structure analysis of rectangular steel hoper integrity

Li Peng
( Datang Environment Industry Group Co.，Ltd，Beijing 100097，China)

Abstract:Applying ANSYS and STAAD.Pro finite element analysis platform，the paper carries out integral finite element analysis for the integral steel hopper of the limestone of the power plant.The analysis results accurately reflects stress distribution and deformation law of the steel hopper and stiffening rib，which has provided some guidance for steel hopper design.

Key words:steel hopper，STAAD.Pro，finite element analysis，stress，stiffening rib

作者简介:李鹏(1982-)，男，硕士，工程师

收稿日期:2015-11-22

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0034-02

中图分类号:TU311.41

文献标识码:A