大直径贮煤筒仓在季节温差影响下的内力分析

陈海娜

(济源职业技术学院，河南 济源 459000)

0 引言

在很多文献中，筒仓也被称作贮仓[1]，通常用于存放较为松散的颗粒状或小型块状的材料、燃料等，例如燃煤、矿石、谷物、碎石等，在实际生产中扮演着极其重要的角色。

随着我国现代化建设的发展和科学技术水平的提高，各种设施建设发展迅速，我国是一个工农业大国，对能源的需求量很大，这就使得大直径贮料筒仓成为重要的基础设施。从1995年大型浅圆仓被引入我国，到2007年，在广东惠来电厂建成的壁厚为700～1 100 mm、直径为120 m的圆形贮煤仓，大直径的筒仓越来越多。然而由于环境或天气原因所引起的温度变化对筒仓结构的影响也越来越被广泛地关注[1]，特别是季节温差会对贮料仓壁的纵向裂缝、配筋产生很大的影响，因此本文重点对比研究季节温升温降所引起的温度应力与不考虑温度应力情况的筒仓所受到的内力。

1 筒仓概况

本工程以某贮煤筒仓为例，剖面图如图1所示。该筒仓直径100 m，高17.6 m，采用钢筋混凝土圆形仓壁，仓壁后面每隔10°设置一个扶壁柱，上部结构采用球面双层空间网壳结构，属于巨型筒仓。仓壁基础为环形条状基础，宽7 m，基础埋深3 m，基础下面采用钻孔灌注桩桩基，桩直径为0.8 m，桩沿环向间隔3°，沿径向设置3排，钻孔灌注桩总共375根。仓壁厚600 mm，基础承台、仓壁及上部环梁采用C40混凝土，基础垫层采用C15混凝土，钢筋采用HPB300级钢筋与HRB335级钢筋。

图1 贮煤筒仓剖面图

2 筒仓有限元模型

2.1 计算参数选取

煤的重力密度为8.5 kN/m3，内摩擦角φ为25°～40°，与混凝土仓壁的摩擦系数为0.5～0.6，最大堆煤高为28 m；仓壁、扶壁柱、环梁的混凝土强度等级为C40，弹性模量3.25×104N/mm2，泊松比为0.167，混凝土的线膨胀系数为1×10-5mm/℃，导热系数为1.74 W/(m·℃)；钢筋的弹性模量Es=2×105N/mm2，泊松比为0.3，线膨胀系数为1.2×10-5mm/℃，导热系数为50 W/(m·℃)。

2.2 荷载

该仓的直径为100 m，高度为17.6 m，仓壁厚600 mm，计算高径比为：17/50 =0.34<1.5，因此应按浅仓公式进行计算。

2.2.1 贮煤侧压力

将仓壁沿高度等分为16份，每份1 m。圆形料仓在贮料水平侧压力作用下，仓壁单位面积上的压力Ph(kPa)按线性分布。

2.2.2 温度荷载

温度载荷是料仓的主要荷载之一，对贮料仓壁的纵向裂缝、配筋产生的影响较大，而季节温差也是温度应力产生的原因之一[2]，因此，应对季节温升温降引起的温度应力及其对筒仓结构的受力影响进行研究。本文主要考虑整体温升、整体温降作用下的仓壁应力和位移变化规律。根据本工程贮煤筒仓当地气象资料及施工中的实测数据，取参考温度15 ℃，对筒仓在夏季温升、冬季温降作用下的静力有限元分析时，地面以上部分分别取最高温40 ℃，最低温10 ℃；对地面以下部分，夏季时取承台上表面的温度为35 ℃，下表面的温度为20 ℃；冬季则分别取10 ℃、15 ℃。

2.3 工况

1)工况1：空仓(仓壁自重+网架竖向压力)；

2)工况2：满仓(贮料侧压力+仓壁自重+网架竖向压力)；

3)工况3：满仓+夏季温升(贮料侧压力+仓壁自重+网架竖向压力+夏季温升)；

4)工况4：满仓+冬季温降(贮料侧压力+仓壁自重+网架竖向压力+冬季温降)。

2.4 网格划分

由于仓内结构及所施加的荷载均是对称布置，同时为了减少有限元模型的计算量，因此只建立10°模型，能够反映整体筒仓的实际受力情况，坐标系关于扶壁柱中心对称，即扶壁柱中心位置为0°，仓壁两侧分别为-5°、5°。为了避免出现应力集中现象，在环梁顶部加一个垫块，网架竖向力通过垫块传到结构上。模型网格划分图如图2所示。

图2 10°模型网格划分图

2.5 模型路径选取

为了对不同工况下筒仓在同一高度处的环向应力受力情况进行分析，本文进行合理的路径选取，路径1、2、3分别是筒仓内壁底端(2.7 m高度处)、内壁中部(8.1 m高度处)、内壁顶端(16.1 m高度处)；路径4、5、6分别是筒仓外壁底端、外壁中部、外壁顶端；由于仓内结构及所施加的荷载均是对称布置，因此，这6条路径比较具有典型性并且分布均匀，能体现仓壁在不同区域的不同特点，路径选取情况如图3所示。

图3 路径选取示意图

3 结果分析

利用ANSYS软件建立模型，分析筒仓分别在工况一(空仓)、工况二(满仓)、工况三(满仓+夏季温升)、工况四(满仓+夏季温降)的情况下，在不同路径处的环向应力值变化情况，从而得出筒仓在同一高度处不同工况下的环向应力受力情况，环向应力对比情况如图4～5所示。

图4 沿路径1环向应力对比

图5 沿路径4环向应力对比

由图4～5可知，在工况二情况下，沿路径5(仓内壁底端)的环向应力值比沿路径8(仓外壁底端)环向应力大，对于工况三和工况四，从图上可以看出，曲线较平缓，说明靠近扶壁柱一侧的仓壁和远离扶壁柱的仓壁环向应力值变化不大。

沿路径2、3、5、6各工况下的环向应力对比曲线分别如图6～9所示。由图6和图8可知，在工况三和工况四情况下，离扶壁柱较近的仓壁内表面刚开始受到环向拉压应力大，向两侧靠近时应力值逐渐减少，最大拉应力值为4.18 MPa，这是因为扶壁柱刚度很大，有很强的约束能力；外壁情况则相反，离扶壁柱较近一侧应力小，向两侧靠近时，应力逐渐增大；在工况二情况下沿路径6的仓壁靠近扶壁柱一侧受拉，远离一侧受压，在中间某一部位处于拉压平衡状态，仓壁既不受拉也不受压；仓外壁情况则相反。另外，从图8～9可以看出，靠近仓壁顶端，贮料对仓壁的影响很小。

图6 沿路径2环向应力对比

图7 沿路径5环向应力对比

图8 沿路径3环向应力对比

4 结语

通过探讨温度对大直径贮煤筒仓结构性能的影响，得出以下结论和建议，这对类似工程的设计提供一定的参考。

1)在夏季温升、冬季温降作用下，在仓壁中部(8.1 m高度处)及仓壁顶端(16.1 m高度处)，离扶壁柱较近的仓壁内表面刚开始受拉力大，向两侧靠近时应力值逐渐减少，这是因为扶壁柱刚度很大，有很强的约束能力，而外壁情况则相反。

图9 沿路径6环向应力对比

2)夏季温升作用下，仓壁承受环向压应力；冬季温降作用下，仓壁承受的是环向拉应力。

3)温度作用下的筒仓比贮料侧压力作用下的筒仓受力更大，并且冬季温降作用下仓壁受到的环向应力比夏季温升作用下的仓壁受到的环向应力大，这是因为在温度作用下的筒仓，冬季气温降低时，筒仓仓壁混凝土遇冷收缩，使其相邻混凝土互相约束，产生更大的环向应力值，因此，温度对筒仓的影响不容忽视，建议应合理考虑筒仓的温度应力问题，可把环境温度对筒仓产生的应力有效折算为环拉力和轴向力，同时应增大对仓壁的环向配筋。