大型贮煤筒仓整体结构水平位移的有限元分析

杨振甲　姜哲　杨霜

（中国水电基础局有限公司，天津　301700）



大型贮煤筒仓整体结构水平位移的有限元分析

杨振甲姜哲杨霜

（中国水电基础局有限公司，天津301700）

摘要：以国电霍州发电厂为例，运用ANSYS软件建立模型，设定了边界条件及计算范围，分析了贮煤筒仓整体结构的筒仓壁、桩体的水平位移，并得出了模拟结果，为实际工程的设计提供了参考资料。

关键词：贮煤筒仓，整体结构，筒仓壁，桩体，水平位移

0　引言

随着经济的发展，生活变得便利，电力能源的供给量逐渐增大。电力能源的获取方式包括火力发电、水利发电、风能发电及核发电等。随着电力环保要求的提高，火力发电市场逐渐减少，但在资源贫乏的地区，依然是主要的供电方式。为了降低煤炭价格上涨和满足严格的环保要求，大型贮煤筒仓较中、小型筒仓更具有优势。本文以国电霍州发电厂的大型贮煤筒仓为例，对其整体结构进行水平位移分析。

1　工程概况

国电霍州发电厂位于山西省临汾地区北部的霍州市。贮煤筒仓作为发电厂重要组成部分，其直径120 m，高20 m，为整体式浅仓。筒仓结构参数见表1。

表1　筒仓结构参数表

图1为贮煤筒仓的有限元分析模型。

图1　贮煤筒仓的有限元分析模型

2　模型建立

该工程运用ANSYS软件建立模型。模型中所用单元、材料参数如表2所示。

3　计算范围和边界条件

1）周围土体对管桩及旋喷桩具有一定的约束作用，因此，模型需考虑模拟土体范围对管桩、旋喷桩的影响。拟定范围为：筒仓壁内侧取土体40 m，筒仓壁外侧取土体30 m，土体厚度假设为50 m。假设筒仓外侧和底部的土体均视为ux= uy= uz=0的三向约束；筒仓内侧土体为两向约束，即ux= uy=0［1］。

2）本模型筒仓所受到的外部荷载包括：a.贮煤的竖向压力；b.贮煤的水平压力。按照Rankine方法选取外力值，竖向压力：

其中，γ为贮煤的重度，取γ=13 kN/m3；h为贮煤顶部到计算截面的高度，假定h =20 m。

水平侧压力：Ph= K×γ×h。

其中，K为贮煤的侧向压力系数，其值K =0. 45；h =19 m。

表2　模型参数

3）为简化模型，计算条件做以下假设：a.不考虑材料的非线性带来的影响，将混凝土和土体均视为弹性体。b.考虑管桩和土体的共同工作，但不考虑桩与土体之间的相对位移的变化。

4　筒仓水平位移分析

利用有限元软件分析，得到筒仓壁、桩体水平位移的模拟结果。

1）筒仓壁的位移分析。

图2为筒仓壁的位移分析图，由图2可以看出，由于门洞位置刚度小，受到贮煤的水平压力，导致位移变化较大。筒仓壁整体受力具有几何对称性，位移变化较均匀。结合筒壁某一截面的水平位移（见图3），筒仓顶部受到环梁约束，底部与承台刚性连接，其水平位移呈“鼓状”。又由于筒仓承台受到贮煤竖向压力，承台出现倾斜，故筒仓壁底部的水平位移呈现出向相反方向倾斜。

2）桩的位移分析。

由图4，图5得出：桩体的水平位移与土体性质有密切的关系。模型中不同土层土体的弹性模量变化较均匀，因此水平位移和桩高的变化曲线比较光滑。但桩顶与承台共同承担煤堆的荷载，相互之间受到较大约束；桩底所在土层弹性模量与其他三层土体相差较大，故桩体位移呈现出两边小，中间大的趋势。由于桩体受到贮煤的竖向压力的作用，相比外侧桩，内侧桩体的水平位移会更大，最大水平位移在20 mm左右。表3列出了筒仓在堆满煤的作用下，筒仓壁、桩的最大位移量。

图2　筒壁的总位移

图3　筒仓壁水平位移与筒高变化曲线

图4　桩的水平位移

图5　桩的水平位移和桩高的变化曲线

表3　在堆满煤状态下的最大位移

5　结语

根据对筒仓壁及桩体的水平位移的分析，得出：筒仓壁受到环梁及承台的约束，两端水平位移较小；筒仓壁中部受到煤堆的水平作用力，水平位移较大。桩体受到堆煤的竖向压力，产生一定变形，而桩顶被承台所约束，桩底处于弹性模量较大的土层，产生弯曲，且内侧桩体较外侧桩体影响较大。

参考文献：

［1］原方，范量，邵兴.大直径浅圆仓贮料侧压力计算公式探讨［J］.隧道建设，2004，24（1）：17-19.

［2］张磊.曲线挡墙散粒体主动侧压力分析及筒仓实践［D］.长沙：中南大学，2009.

［3］付建宝.复杂条件下大直径筒仓侧压力的极限分析和有限元分析［D］.大连：大连理工大学，2003.

［4］马超.筒仓结构—地基相互作用动力计算［D］.西安：长安大学，2008.

Finite element analysis of horizontal displace of integral structure of large-scale coal-storing silo

Yang Zhenjia Jiang Zhe Yang Shuang
（China Hydropower Foundation Bureau Co.，Ltd，Tianjin 301700，China）

Abstract：Taking National Power Huozhou power generation plant as an example，applying ANSYS software for establishing models，the paper sets boundary conditions and computation scope，analyzes horizontal displacement of silo wall and pile of integral structure of coal-storing silo，and obtains simulated results，which has provided some guidance for actual engineering design.

Key words：coal-storing silo，integral structure，silo wall，pile，horizontal displacement

中图分类号：TU311. 41

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0060-02

收稿日期：2016-01-14

作者简介：杨振甲（1984-），男，硕士，工程师；姜哲（1985-），男，硕士，工程师；杨霜（1988-），女，硕士，助理工程师