圆形煤场整体式挡墙动力特性有限元分析

2018-04-02王云极宫赫乾

吉林电力 2018年1期

王云极，袁　泉，宫赫乾

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

随着火力发电厂机组容量的提升，对储煤场煤的储量要求不断提高。大直径封闭式圆形储煤场具有占地小、储煤量大、自动化程度高、便于配煤、运行安全可靠、抗恶劣天气强、对环境污染小、煤损耗小、景观好等特点[1]，因而在电力行业得到较好的应用。

封闭式圆形储煤场干煤棚由上部球面网壳结构和下部挡墙结构组成。其中，下部挡墙结构可分为分离式和整体式两种，相比较而言，整体式挡墙结构具有整体性好、材料和用地面积较少等优点。整体式圆形煤场挡墙结构主要由环形基础、挡煤墙、顶部环梁组成，在工程实践中主要应用带扶壁柱和无扶壁柱两种整体式挡墙结构。

整体式挡墙结构形式虽然简单，但上部网架质量较大，并要为其提供可靠的支撑，自身范围、高度较大，加之结构质量和刚度沿竖向分布不均匀，其自身动力特性以及不同工作荷载作用下对其动力特性的影响必须加以重视。

1　工程概况

我国北方某热电厂工程项目规划4×300 MW供热机组，一期完成2台机组，建设2座圆形煤场，储煤总量约为1.5×105t，屋面采用双层球面网壳结构，挡墙采用整体式挡墙结构，钢筋混凝土结构部分主要由基础、挡墙、壁式牛腿、扶壁柱、输煤地道组成，扶壁柱顶端预留埋件与屋面网壳结构相连。挡墙高度为22.1 m，厚度为0.9 m，内径为90.5 m，扶壁柱宽度为1.2 m，墙顶环形走道板宽度为2.15 m，壁式牛腿挑出长度为0.75 m，端部高度为0.6 m，根部高度为1 m，输煤地道内壁尺寸4.5 m×3.3 m，整体式挡墙结构见图1。

图1　圆形煤场整体式挡墙结构

2　工作荷载

2.1　恒定荷载

圆形储煤场干煤棚结构由上部球面网壳结构和下部挡墙结构组成，挡墙结构所受恒定荷载由上而下，即网壳结构自重、挡墙结构及其基础自重。上部网壳结构通过与挡墙之间的预埋件将自重传递给挡墙结构，预埋件沿挡墙圆周每10°设置一个，共36个，单个预埋件上所受竖向荷载为400 kN[2]，共计14 400 kN。

2.2　活动荷载

挡墙结构所受活动荷载主要为门架式取料机行走机构作用在挡墙顶部圆周上的轮压，轮压主要由门架、行走机构、栏杆、卷扬支架、司机室、电气室、料耙等各组成部分的自重引起，此外，当料耙在取料范围内处于不同工位时，料耙重心的移动还将引起轮压的变化[3]，其中，料耙上仰时轮压最小，取料耙下俯时的轮压为964.3 kN，水平和下俯时较为接近。

挡墙顶部沿圆周设置通行走道板，满足检修、通行以及参观需求，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》和DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》相关规定进行荷载取值，按3.5 kN/m2计算。

2.3　堆煤压力

堆煤压力的计算，可以按照极限平衡理论，在考虑煤与混凝土侧壁之间的摩擦力的情况下，假设不同的滑移面，求出挡墙对煤体的反力，其中最大者为堆煤压力，再假定它沿高度为线性分布，便可换算出侧压力系数[4]。煤体对挡墙结构的侧向压力p可按公式(1)计算[1,5-8]：

p=KγI

(1)

式中：p为任意一点的侧向压力；K为侧压力系数，取0.45；γ是煤的容重，取13 kN/m3；I为内壁处煤堆表面到该点的深度。

3　有限元数值模型

整体式挡墙有限元数值模型的坐标原点位于挡墙圆心，标高±0.000 m处，采用笛卡尔坐标系统，符合右手定则：x轴沿输煤地道方向，以由内而外为正；y轴沿竖直方向，以竖直向上为正；z轴沿垂直输煤地道方向。扶壁柱为上部网壳结构固定支座，按10°间隔设置，为描述方便，以输煤地道及洞口中线为基准，沿逆时针方向对扶壁柱编号，洞口两侧扶壁柱编号分别为1和36。

模型采用质量单元(Mass21)模拟堆煤压力作用，并将上部网壳结构、取料机行走机构重量施加于模型，按180°堆煤来考虑堆煤荷载的最不利布置工况[9-10]，即以x轴正向起始，沿逆时针方向绕y轴形成的180°范围内布置堆煤荷载。挡墙结构采用Solid45单元模拟，有限元三维模型见图2，单元共24 961个，节点共35 398个。

拟定通过2种计算方案开展研究工作，方案1，不考虑活动荷载及堆煤压力；方案2，考虑活动荷载及堆煤压力，并按照堆煤荷载最不利布置计算，走道板活荷载重力布置范围与堆煤荷载相同，同时将取料机行走机构轮压重力作用于壁式牛腿顶面90°处，混凝土标号为C30，弹性模量为30 GPa，剪切模量为12 GPa，泊松比为0.20，密度为2 400 kg/m3。

图2　整体式挡墙有限元三维模型

4　自振模态计算及结果分析

利用ANSYS有限元分析软件对圆形煤场整体式挡墙结构有限元三维模型进行模态分析，可选择的模态提取方法共7种，分别是：子空间迭代法、分块(Lanczos)法、动态提取(Power Dynamics)法、缩减法、非对称法、阻尼法、正交直角三角形(QR)阻尼法等。不同的适用性，其中以子空间迭代法、分块法、缩减法、动态提取法最为常用，并且能够基本满足大多数工程计算问题的各项要求，本文采用由经典Lanczos法演化而来的分块Lanczos法。

4.1　结构自振模态计算

通过既定的2种计算方案，分别计算整体式挡墙结构前30阶自振周期，前20阶计算结果见表1、表2。

对应于2个方案第1、2阶振型的振型图分别见图3、图4。

4.2　自振特性结果分析

a.方案1：自振频率分布比较密集，基频周期仅为0.116 s，说明结构整体刚度较大；前10阶振型图表现出关于输煤地道的对称或反对称关系；前4阶振型均位于洞口附近或洞口对面，说明洞口的刚度削弱不近对洞口附近有影响，甚至会影响到洞口对面位置；从第5阶振型开始，各振型均为结构整体振动，扶壁柱均出现扭转效应；第15、18阶分别为沿输煤地道和垂直输煤地道方向的整体振动。

表1　方案1挡墙结构自振周期

b.方案2：前10阶振型图并未表现出明显的对称关系；前4阶振型均出现在堆煤荷载布置边界位置，第1、3阶更与洞口位置相关，正是结构质量与刚度分布变化最为明显的部位；从第5阶振型开始，绝大多数振型下，扶壁柱均出现扭转效应；第20阶为垂直输煤地道方向的整体振动。

c.考虑了活动荷载的最不利布置以后，结构自振频率数值上整体稍稍降低，振型上变化较大，关于洞口的对称或反对称关系消失，且在前20阶振型中未出现沿输煤地道方向的整体振动模态，说明受工作荷载影响，尤其堆煤荷载的最不利布置对结构质量分布产生较大影响；前4阶振型均出现在洞口附近、洞口对面附近以及堆煤荷载布置边界位置，说明质量与刚度的突变对挡墙结构自振特性影响突出，此类位置容易成为薄弱位置；整体振动模态，扶壁柱扭转效应明显，在设计时应充分考虑扭转带来的不利影响，提高扶壁柱抗扭能力。