大型圆形贮煤场设计中的有限元分析

一、概述

对于混凝土圆形储煤场，堆煤引起的内壁温度上升与外部大气温度之间形成的温差，是结构的主要荷载之一，然而，这方面的资料非常有限。圆形储煤场结构的另外一个主要荷载是堆煤侧压力，其大小主要和煤的容重、内摩擦角以及煤和侧壁之间的摩擦系数等相关。库伦土压力公式是针对平面应变问题提出的，但现在的问题是轴对称问题，显然不适用。现行《钢筋混凝土筒仓设计规范》和文献[3]在确定侧压力时虽然考虑了轴对称的特点，但没有考虑堆料与混凝土壁的摩擦力，且认为堆料最高点位于储煤场中心轴线上，实际上，大型圆形储煤场受堆煤设备与工艺的限制，堆煤最高点通常位于储煤场中心轴线和侧壁之间且靠近侧壁的位置，直接应用这些公式也不合理。为了合理地确定侧壁内外温差和堆煤侧压力这两个主要荷载，使储煤场设计建立在充分可靠的依据上，采用现场实测十分必要。我们将实测现场选择在某配煤中心的1#圆形储煤场内，该储煤场直径90m、高20m，侧壁为钢筋混凝土结构，沿环向每隔15.7m设置竖向缝，侧壁周圈加扶壁柱，上部为空间球形网架结构，高45.6m。实测内容包括：（1）堆煤后储煤场内壁不同高度处的温度随堆煤时间变化情况；（2）煤对储煤场内壁的侧压力沿高度分布情况。通过将实测数据进行整理，并结合相关的理论分析，最终确定设计荷载，为科学合理地设计大型圆形储煤场提供依据。

二、 有限元分析

有限元计算分析以某配煤中心圆形储煤场为背景。根据初步设计论证，拟定储煤场竖向断面如图1所示。承台与侧壁均为环向360°连续设置。储煤场内径为90m，侧壁下部厚0.7m，上部厚0.5m，厚度自下而上按线性规律变化；外壁内侧堆煤最大高度为16.3m。基础高度为1.2～2.2m，宽度为9.5m；为考虑基础土体对基础和侧壁的受力影响，基础下土体在深度方向向下取10m，在水平方向从侧壁内表面开始，沿径向内侧取40m，外侧沿径向向外取25m。将堆煤简化为对侧壁和基础的荷载，不直接对其进行模拟。

图1 储煤场横截面图

根据问题的对称性，截取6?扇形区域进行计算。建立有限元模型时，先在平面内建立如图1所示侧壁、基础的竖向断面，再将该断面绕储煤场中心对称轴旋转成6°体。通过扫掠划分网格的方式，使用三维实体单元依次划分侧壁、基础与土层。

1. 材料参数

煤的重力密度：γ=11kN/m3；煤的内摩擦角：φ=33°

煤与混凝土壁的摩擦系数：μ=0.5～0.6

混凝土标号：C30

混凝土弹性模量：Ec=3.0E+04MPa；混凝土泊松比：μc=0.2

混凝土的线膨胀系数：αc=0.00001

煤场地基土层从上至下模拟为4层：

第1层：回填土，层厚h1=1m，弹性模量E1=12MPa，泊松比μ1=0.2

第2层：砂石，层厚h2=2.5m，弹性模量E2=6.4MPa，泊松比μ2=0.3

第3层：卵砾石，层厚h3=4.5m，弹性模量E3=20MPa，泊松比μ3=0.25

第4层：砂砾岩，层厚h4=13m，弹性模量E4=1.5E+0.4MPa，泊松比μ4=0.25。

2. 荷载

根据结构受力特性，计算方案考虑的荷载主要有以下几种：

（1）堆煤压力。堆煤压力包括作用在侧壁的侧向压力和作用在煤场区基础土层的竖向压力。

侧向压力：根据实测结果，侧压力系数K=0.46，按照修正的库仑公式（考虑问题的轴对称性）计算所得的值稍小，为K=0.434，计算时取后者。竖向压力：竖向堆煤压力作为均布面荷载施加到堆煤场土层表面。

（2）储煤场内外壁温差。储煤场外壁温度取决于环境温度，内部温度取决于堆煤温度。根据实测结果，内壁温度取为38℃，外壁面温度，则根据当地气象资料，取为12℃，内外壁温差为26℃。

（3）季节性温差：根据当地的气象资料确定。根据当地常年的气象资料，季节温差取为23℃。

三、 结果及其分析

使用上面的参数，进行了有限元分析并计算了配筋，得到主要结果如下：

（1）侧壁环向的受力状态：在堆煤压力季节以及温升、温降作用下，主要受轴力作用，弯矩非常小；在内外壁温差的情况下，既有轴力作用，又有弯矩作用。侧壁环向轴力主要来自于堆煤压力，其绝对值占的比重约为80%。在季节温升以及内外壁温差情况下，侧壁均产生环向压力，与堆煤作用下产生的环向轴力反向。而季节温降情况下侧壁产生的环向轴力与煤压方向相同，因此在季节温降和堆煤压力组合作用下的环向轴力为最大。

侧壁竖向的受力状态：在堆煤压力和温度荷载下，主要受弯矩作用，轴力均接近零，且竖向弯矩主要由煤压以及内外壁温差产生。

（2）从各主要荷载单独作用的情况来看，侧壁的环向配筋由内外壁温差和煤压力控制，其中内外壁温差所需配筋是煤压力所需配筋的1.38倍，可见内外壁温差对于整体储煤场的影响很大，应引起足够重视；侧壁的竖向配筋也由内外壁温差和煤压力控制，其中内外壁温差所需配筋是煤压力所需配筋的4.72倍，即内外壁温差对竖向配筋起决定性控制作用，是储煤场水平截面的竖向配筋的主要因素。水平截面的竖向配筋受季节温差的影响较小，不起控制作用。

（3）从主要荷载组合工况的作用下，侧壁的环向配筋由内外壁温差和煤压力共同作用的工况控制，全截面平均配筋率为1.33%，其中煤压单独作用时的平均配筋率为0.77%（占58%），内外壁温差引起的内力所需配筋为0.55%（占42%），这说明由于内外壁温差的存在，导致全截面配筋率（相对于煤压单独作用时）增加71%；环向截面配筋在季节温降作用下，配筋率相对于单独煤压作用下增加0.06%（增幅21%），但季节温升和煤压共同作用下，配筋率反而比煤压单独作用下小0.06%（减幅21%），说明季节温升对侧壁是有利的。

（4）侧壁的竖向配筋也由内外壁温差和煤压力共同作用的工况控制，全截面平均配筋率为0.55%，其中煤压单独作用时的平均配筋率为0.28%（占51%），内外壁温差引起的内力所需配筋为0.27%（占49%），这说明由于内外壁温差的存在，导致全截面配筋率（相对于煤压单独作用时）增加95%。竖向配筋在季节温差和煤压共同作用下配筋率为0.28%，与煤压单独作用下的配筋率相同，说明竖向配筋率基本不受季节温升和季节温降影响，主要受内外壁温差和煤压的影响。