大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析.docx

1、大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析*严仁章 陈志华 王小盾( 天津大学建筑工程学院，天津 300072)摘 要: 钢板筒仓具有混凝土筒仓无法比拟的优势，其应用已越来越广泛，但其理论研究还相对滞后，尤其对于储煤用大型钢板筒仓的设计尚没有明确的标准指导。结合一拟建储煤钢板筒仓，根据其现场生产条件和工 艺要求分析钢板筒仓的结构选型和布置方案; 利用 Midas / Gen 有限元软件建立仓体和仓顶组装成的整体模型， 并对其进行结构静力性能的分析，揭示结构在不同受力状态下的应力分布特征和变形特征，验证结构布置的合 理性和安全性。利用有限元分析软件 ANSY

2、S 对仓体分别进行空仓状态和实仓状态下的特征值屈曲分析，发现 实仓状态下的第一阶屈曲特征值较空仓状态减小了 86. 85% ; 研究水平环向压力对仓体临界承载力的影响，发 现实仓在水平环向压力作用下第一阶屈曲特征值提高了 89. 15% ; 最后对仓体进行了考虑材料和几何双重非线 性的稳定分析，得到结构的实际极限承载能力，发现钢板筒仓是一种非线性非常明显的结构。关键词: 储煤钢板筒仓; 结构布置; 静力; 屈曲; 非线性; 有限元DOI: 10. 13204 / j gyjz201410031STUCTUE DESIGN AND STABILITY ANALYSIS OF A LAGE WEL

3、DEDSTEEL SILO FO COAL STOAGEYan enzhang Chen Zhihua Wang Xiaodun( School of Civil and Architectural Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract: As the steel silo has incomparable advantages over the concrete silo，it is widely used in many fields，however，its theoretical research is

4、relatively lagging behind，and especially there is no any clear specification to guide the design of a larger steel silo for coal storage Based on the site operating conditions and technological requirements，the structure arrangement and the structure s form of a proposed steel silo for coal storage

5、were analyzed The entire model assembled with the silo body and the roof was built up with FEA software Midas / Gen， and its static performance was analyzed，the features of the stress distribution and deformation distribution under different loads were got， and the rationality of the structure arran

6、gement and its security were also verified Eigenvalue buckling analysis on both empty silo and full silo were carried out with FEA software ANSYS，showing that the first order buckling eigenvalue of the full silo was decreased by 86. 85% The influence of the ring pressure， produced by the coal，on imp

7、roving the ultimate bearing capacity was also studied，and it was found that the first order buckling eigenvalue was increased by 89. 15% when considering the ring pressure Finally a non-linear analysis was carried out，based on both the material nonlinearity and the geometry nonlinearity，obtaining th

8、e actual ultimate bearing capacity of the silo structure，finding that the steel plate silo is a kind of nonlinear structureKeywords: steel silo for coal storage; structure arrangement; static; buckling; non-linear; FEA效果好等优点，但是其承载能力低，主要运用于小规模的筒仓结构中; 螺旋式钢板仓又称为利浦仓，具有 整体性能好，寿命长，施工方便等优点。我国的钢板 仓发展集中于 20

9、世纪 90 年代，当时主要应用于储 粮，进入 21 世纪后才得到了快速发展，建设规模也钢结构具有轻质高强、整体性能好、施工方便、绿色环保等优点，将钢材用于筒仓结构，代替传统的 砌体、混凝土筒仓，是未来仓库发展的一个趋势。钢 板仓的发展共经历了四个阶段1: 铆接式钢板仓、 焊接式钢板仓( 图 1a) 、装配式钢板仓( 图 1b) 和螺 旋式钢板仓( 图 1c) 。铆接式钢板仓具有坚实牢固 的优点，但其施工费工费时，已遭淘汰; 焊接式钢板 仓具有承载能力高，工艺布局灵活的优点; 装配式钢 板仓属于薄壁仓，具有质轻、工业化程度高和防腐蚀158 Industrial Construction Vol.

10、 44，No. 10，2014* 天津大学自主创新基金资助项目( 1304) 。第一作者: 严仁章，男，1987 年出生，博士研究生。 通讯作者: 王小盾，maodun2004 126 com。 收稿日期: 2014 03 20工业建筑 2014 年第 44 卷第 10 期由小变大，应用领域逐渐趋于多元化。a焊接钢板仓; b装配式钢板仓; c利浦仓图 1 3 种钢板仓Fig 1 The photos of three sorts of steel silos1原煤进车间输送皮带; 2仓顶系统，3 层( 2 台刮板机，1 台破碎顶) ; 3原煤运输皮带; 4配重间; 5成品煤进 仓输送皮带; 6

11、原煤混凝土筒仓; 7成品煤混凝土筒仓 图 2 厂区实景Fig 2 The scene of workshop钢板仓结构虽已有大量的工程实践，但其理论研究相对较少。对于钢板筒仓的设计与分析，各个 行业根据各自的特点制定了相应的行业标准，如 GB503412003立式圆筒形钢制焊接 油 罐 设 计 规 范、SH 30781996立式圆筒形钢制和铝制料仓 设计规范、JB / T 47351997钢制焊接常压容器 和 GB 503222011粮食钢板筒仓设计规范等。 它们对促进钢板筒仓的发展起到了非常大的推动作 用，但是其应用具有一定的局限性。当钢板筒仓应 用于煤炭行业时，筒仓所处的自然环境，煤这种储

12、料 对于钢板筒仓的力学作用和化学作用、储煤工艺对 钢板筒仓的要求以及储煤筒仓的规模等均不同于其 他领域2，不能完全照搬其他行业标准中的设计方 法。本文正是在这种背景下，对一拟建大规模储煤 钢板筒仓进行有限元分析，在研究其静力性能的基 础上，分析钢板筒仓在空仓和实仓状态下的稳定性， 为以后类似工程的设计提供参考。1 15 28 混凝土筒仓; 2仓顶系统;3拟建钢板仓可用空间; 4皮带栈桥图 3 已建原煤混凝土筒仓及仓底运输皮带栈桥立面Fig 3 Vertical view of the original concrete silo for coal storage and the trestle

13、 below the silo满足目前的生产需求，遂拟建 1 万 t 级原煤储存筒仓分担已有 2 个原煤混凝土筒仓的储煤能力，以 提高洗煤厂的生产效率。 为了降低建设成本，拟 建筒仓除了需要满足容量大、建设周期短等要求 外，还必须要与已有原煤混凝土筒仓形成系统，共 用原煤混凝土筒仓顶部的分煤系统和原煤混凝土 筒仓底部的输煤系统，这就要求拟建筒仓从仓体 形式、结构选型和几何尺寸上均要精心设计。 由 于钢板仓相比混凝土筒仓具有质量轻、强度高、施 工快等诸多优点，本工程拟建筒仓优先选用钢板 筒仓。考虑到螺旋式钢板仓和装配式钢板仓本身 的技术特点，在本工程所能提供的条件下不能满 足万吨储煤容量的要求，

14、决定在本工程中采用大 型焊接钢板仓。大型焊接钢板仓，也称为钢板库， 主要是由钢板焊接而成，仓体规模理论上不受限 制，直径最大可达 60 m。1工程背景拟建储煤钢板筒仓，位于我国煤资源丰富的山西平朔地区，主要用于洗煤厂储存直接由矿井下输送来的原煤。现场已有 2 个已投入运营的 15 m 28 m 的 3 000 t 级原煤混凝土筒仓，如图 2 所示为未建钢 板筒仓前厂区全貌图，原煤从矿井下通过皮带传输系 统输送至原煤混凝土筒仓上部的分煤系统内，分煤系 统利用刮板机等设备将原煤处理后分刮至两个混凝 土筒仓内，整个仓顶系统置于 2 个高28 m的原煤混凝 土筒仓顶部，共 3 层。原煤混凝土筒仓仓体从

15、地上约20 m 处开始收缩筒仓内径，于离地面 4. 4 m 处收口形 成漏斗，漏斗口处设 4 个出料口，每个出料口下 2. 4 m 范围内装设给料机，给料机将筒仓内的原煤输送至离 地面约 1. 6 m 的传输皮带上，由皮带输送至厂房内车 间完成煤的加工，已建原煤混凝土筒仓及仓底皮带栈 桥运输系统立面示意如图 3 所示。由于近年来机械设备的改进及供煤需求量的 增大，已有 2 个原煤混凝土筒仓的储煤容量不能大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析严仁章，等2 结构布置为了保证拟建钢板筒仓能与混凝土筒仓形成系159统，共用已有输煤系 统，钢板仓总体高度应小于 28 m，结合现场工艺条件，钢板筒仓可利

16、用空间如 图 3 所示，位于已建混凝土筒仓旁，需架设于仓底皮 带栈桥之上。根据现场空间的可利用性，钢板筒仓 直径取为 26 m，仓体高度取为 18. 5 m，支承于6. 5 m 高的混凝土环梁上，混凝土环梁下设 16 根混凝土柱 架空于皮带栈桥上方。仓底采用混凝土底板，并设 置一定的坡度( 17) 。在混凝土底板上设置 5 个出 料口，中间洞口尺寸为 1 m 1 m 的矩形洞口，周围 对称布置 4 个 800 mm 800 mm 的矩形洞口。钢板 筒仓仓体沿其高度剖面示意如图 4 所示，整个钢板 筒仓仓体跨越一宽 4. 4 m 且斜向上的传输皮带栈 桥，由于给料机设备的要求，皮带与仓底出料口的

17、距 离不得小于 2. 4 m。仓体库壁在高度方向由 13 圈 厚度不一的钢板带通过焊缝搭接而成，搭接长度不 小于 5t( t 为钢板厚度) ，钢板带的布置及各层钢板 厚度如表 1 所示。为了保证仓体的稳定，沿圆周方 向均匀设置 40 道通长 C20a 纵向加劲肋，沿高度方 向在每一圈钢板带中间位置设置 1 道环向加劲肋 C10，共 13 道，另外，考虑到仓顶与仓体的连接，在 仓体的顶部加设 1 道环向加劲肋120 12，仓体加劲肋的布置如图 5 所示。仓顶采用肋环型单层网壳，如图 6 所示，单层网壳矢高取为3 m，且在网壳顶 部形成一直径为 5 m 的平台。单层网壳表面铺装一 层 1 mm 厚

18、钢板，沿其网壳直径方向均匀开设 5 个800 mm 1 000 mm 的洞口，供仓顶系统落料使用。 在钢板 筒仓仓体外围布置 1 道盘旋而上的螺旋 爬梯。表 1 筒仓壁板的板厚Table 1 Specification of the thickness of the wall plate for the silo位置( 自下而上)高度 / m板厚 / mm1 圈2 3 圈4 6 圈7 10 圈11 12 圈13 圈1. 501. 451. 451. 451. 451. 05141210868140 道纵向加劲肋 C20a; 214 道环向加劲肋 C10图 5 仓体加劲肋布置示意Fig 5 Th

19、e arrangement of the stiffening ribs of the silo图 6 仓顶网壳模型Fig 6 Model of the reticulated shell on the top of the silo的正常动作。因此本工程建设过程难度大、精度控制要求高，同时钢板仓的规模巨大，且直径 26 m 的规模 已位于国内钢板仓前列。而我国目前尚无一套完善 的设计理论体系来指导大规模钢板仓的设计与施工， 只能借鉴 GB 503222011钢筋混凝土筒仓设计规 范3 和 GB 500772003粮 食钢板筒仓设计规 范4以及国外的设计经验来完成储煤钢板仓的设计 与分析5，因

20、此，针对本工程规模大的情况和原煤贮 料对钢板筒仓建立有限元模型，按照结构实际承受的 荷载对其进行详细的分析显得非常重要。3. 1 有限元模型利用有限元软件 Midas / Gen 建立钢板筒仓仓体 和仓顶的有限元模型。对于仓体，以薄壳单元模拟 钢板仓壁; 用梁单元模拟纵向肋和环向肋。为了实 现加劲肋与钢板间的连接，在划分单元网格时，钢板 仓沿圆周方向在布置纵向肋的位置剖分成 40 份，沿 高度方向在布置环向肋的位置即每一板带的中间高 度位置将其划分成上下 2 份。仓底与混凝土底板固1 5 m 平台; 2仓顶; 3 26 m 钢板筒仓仓体;4出料口; 5给料机; 6皮带栈桥 图 4 钢板筒仓剖面

21、示意Fig 4 The profile of the steel silo3 结构静力分析根据上述分析可知，拟建钢板筒仓是在已建设 备设施上建造，需要充分考虑现场条件，合理布局结 构，不得影响已建建筑的正常生产，保证工厂生产线160工业建筑 2014 年第 44 卷第 10 期接。仓顶单层网壳杆件采用梁单元模拟，杆件采用的主要截面有 HN125 60 6 8、HN100 50 5 7，在仓顶洞口处由于受到设备较大的集中荷载，对 其进行局部加强，洞口处杆件截面采用 HN150 75 5 7。仓顶和仓体通过下环梁进行组装，即仓 顶单层网壳的下环梁同时为仓体顶部的一道环向加 劲肋。钢板筒仓有限元模型

22、如图 7 所示，其中包括1 040 个板单 元 和 2 294 个 梁 单 元。 钢 板 仓 采 用 Q345 钢材，材料的屈服强度 fy = 310 MPa，弹性模量 E = 2. 06 1011 Pa，泊松比 = 0. 3，密度 = 7. 85 103 kg / m3 ，线膨胀系数 = 1. 2 10 5 1 。荷载设计值，即贮料荷载的分项系数取为 1. 3，地震作用分项系数取 1. 3，风荷载分项系数取 1. 4。5( 1 e KS / ) ，K( 1a)P = maxSh( 1b)Pv= S式中: 为储煤的重力密度，取 = 16 kN / m3 ; 为筒仓的水力半径，取 = dn /4

23、 = 6. 5 m; 为煤与钢板仓 仓壁的摩擦系数，取 = 0. 45; 为煤的内摩擦角， 取 = 35 ; K 为煤对钢板仓仓壁的侧压力系数，取K = tan2 ( 45 /2) = 0. 271; S 为贮煤顶面到计算截 面的高度，计算分析时按满仓考虑。风荷载按式( 2) 计算:( 2)wk= s z w02式中: w0 为基本风压，取 w0 = 0. 55 kN / m ; 为风振系数，取 = 1. 8; s 为体型系数，整体计算时取 s =1. 0; z 为风压高度变化系数，取 z = 1. 5，因此由式2a板单元模型; b梁单元模型图 7 钢板筒仓有限元模型Fig 7 Finite

24、element model of the steel silo( 2) 计算可得方程的 wk 为 1. 35 kN / m 。3. 3 计算结果提取整体结构在包络工况下的组合应力云图， 如图 8 所示。从图 8a 可以看出，在包络工况下，板 单元的最大组合应力为 123. 8 MPa。由于钢板仓底 部第一圈钢板带的下边缘被约束，最大应力出现的 区域主要位于底部第一圈板带和第二圈板带接触的 区域。钢板仓其他区域的应力水平均较低，位于顶 部的钢板应力最小，不足 20 MPa，可见钢板仓的钢 板在荷载作用下处于较低的应力水平，具有足够的 安全储备。从图 8b 可以看出，在包络工况下钢板仓 的纵向加劲

25、肋在根部将出现较大的拉应力水平，达 到 255. 63 MPa，分析其原因是因为在钢板仓的底部 受到储料对其的水平环向压力最大，从而纵向加劲 肋有与钢板带和环向加劲肋一起沿径向往外扩张的 趋势，但由于纵向加劲肋在根部被约束从而阻止了 这个趋势，使得此区段的纵向加劲肋梁单元内产生 了较大的不平衡应力; 在包络工况下仓顶单层网壳 的根部将出现较大的压应力，达到 274. 53 MPa，这 是因为上部网壳汇聚了仓顶竖向荷载后转化为网壳 面内的力流并通过径向杆件流向仓体，也即仓顶所 承受的所有竖向荷载均通过仓顶根部的径向杆件传 递给仓体，因此根部的径向杆件受力最大。同时，上 部网壳杆件的径向杆件均以受

26、压为主，环向杆件以 受拉为主，这也验证了肋环型单层网壳的传力机制。为了更为直观地观察钢板仓的应力分布，沿钢计算荷载筒仓主要承受的荷载包括仓顶荷载和仓体荷载 两部分，仓顶荷载包括仓顶自身和安装在其上的设 备自重、活荷载( 2 kN / m2 ) 、雪荷载( 0. 5 kN / m2 ) 、温 度作用和地震作用等。仓体荷载包括仓体钢板和加 劲肋的自重、储煤对仓壁的储料荷载、风荷载、温度 作用和地震作用等6 8。结合本工程所处位置一年 的温差变化，取温度 T = 30 。在符合散体理论的前提下，筒仓内贮料对仓壁 结构的影响作用规律将随筒仓的高宽比发生变化， GB 503222011 中规定筒仓内储料

27、计算高度 hn 与仓内径 dn 比值小于 1. 5 的筒仓为浅仓。本项目中 的筒仓在储满煤且上表面为水平时其计算高度 hn 可取到最大，为 hn = 18. 5 m，则 hn / dn = 0. 71 1. 5， 因此该仓为浅仓。对于浅仓，储料荷载包括作用于仓壁上的水平压力 Ph 和作用于仓壁上的竖向摩擦 力 Pv ，Ph 和 Pv 分别按式( 1 ) 计算。考虑到贮料荷载 随钢板仓高度变化而变化，为了施加荷载的方便，在 Midas / Gen 程序中采取等效的方式施加贮料荷载， 即计算出每块板单元中心线高度处的 Ph 和 Pv 后直 接以均布荷载形式施加于该板单元上。由于单元划 分较密，其计

28、算结果已能达到计算精度。本工程的 抗震设防烈度为 7 度，故只考虑水平地震作用，重力 荷载代表值取满仓煤总重的 80% ，为了施加方便， 在 Midas / Gen 程序中将满仓煤总重的 80% 等效为 竖向均布面荷载施加于所有钢板单元上。计算时取大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析严仁章，等3. 2板仓高度方向提取钢板 在“1. 2 自 重 + 1. 3Phk+1. 3Pvk + 1. 2 仓顶恒荷载 + 1. 4 仓顶活荷载 + 0. 84升温”工况下的应力，在该工况下由于钢板仓为一1614 钢板仓的稳定性分析钢板筒仓结构属于圆柱薄壳结构，钢板除了承 受板所在面内的荷载外还承受面外的横

29、向荷载，结 构本身受力复杂，且钢板厚度较小，较混凝土筒仓结 构容易发生失稳。对于圆柱薄壳的稳定理论，国内 外对其研究已较为成熟，并给出了理想圆柱壳在轴 压下的弹性经典屈曲应力，如式( 3) 所示9 10。a板单元; b梁单元图 8 包络工况下结构应力云图MPa 1 EtEtEtFig 8 Stress distribution under envelop condition( 3)cr= k 0. 605槡3( 1 )2高度对称布置，其应力分布也完全对称，即同一高度上钢板的应力分布相同。图 9 所示为钢板在该工况 下沿钢板仓计算深度的应力分布条形图，图中: zs 为板单元的 von Mises

30、 有效应力; t 为板单元沿环 向的拉应力; c 为板单元沿竖向的压应力。由图 9 可知，钢板仓中的钢板在自重、仓顶荷载、温度作用 和储料作用下主要承受竖向的压应力 c 和环向的 拉应力 t ，且除了仓体的底部和顶部外，c 和 t 的 分布规律一致，即随着计算深度的增加而增大，但是 钢板承受的环向拉应力 t 远大于竖向的压应力 c 。式中为泊松比。; 为筒仓半径; 式( 3) 是根据解析的方式给出长筒圆柱壳在单向均匀压力作用下的临界应力，没有考虑结构双向 应力的作用。对于筒仓结构，仓内贮料对筒仓将会 产生水平的环向压力 Ph ，在钢板中将会产生大小为Ph 的环向拉应力。因此钢板将同时承受竖向的压t应力和环向的拉应力，钢板单元的受力示意如图 11所示。对于这种复杂的受力状态不能简单地用式 ( 3) 来计算。根据有限元原理可知，板单元的几何 刚度矩阵如式( 4) 所示11。图 11 钢板仓板单元受力示意Fig 11 Force diagram of plate element of the silozs ;t ;c图 9 钢板应力随深度分布Fig 9 elat