某大直径煤仓的有限元分析

摘要：本文对一直径115m煤仓结构在温度荷载作用下进行有限元分析，分别研究了半仓和满仓时，在贮料侧压力和贮料温度带来的煤仓壁内外温差的作用下煤仓壁的应力状态，为此类结构的工程设计提出了几点意见供设计时参考。

关键词：煤仓温度荷载贮料侧压力

中图分类号： P184.5+3文献标识码：A 文章编号：

Finite element analysis of giant reinforced concrete silos structure

LIU YideZHAO Bingyun

Abstract:In this paper, we analyze the actions of temperature loads on giant reinforced concrete circular silo structure (with 115 meters diameter) by finite element method. Respectively, the stress state of the silo wall is investigated in the half laden silo and fully laden silo, with the effects of the temperature load and the filling side pressure from the stored material. Several advices are finally presented which are useful to the design and practice of similar structure.

Key words:silo; temperature load; filling side pressure from the stored material

前言

随着人们对生产生活环境的要求不断提高，原料厂中对全封闭大直径煤仓结构的需求越来越大。目前此类工程实践经验有限，我国新颁布的《钢筋混凝土煤仓设计规范》（GB50077-2003）［1］中建议，直径>30m的煤仓，温度引起的环向应力可按其最大环拉力的8%计算。但是对于直径大于100m的大直径煤仓，在温度作用下煤仓壁的环向应力该如何考虑无明确规定。由于煤仓内贮料温度常常较高，由贮料带来的煤仓壁内外温差对煤仓壁的应力的影响非常巨大，这是实践提出的不可忽视的研究课题。本文试图通过对某大型冶金原料厂的直径115m钢筋混凝土煤仓在贮料侧压力和煤仓壁内外温差作用下煤仓壁应力状态进行有限元分析，来深入探讨此问题。

结合工程实践经验，文中对以下工况进行计算比较：

1、工况一：煤仓处于满仓状态，未计入贮料温度带来的煤仓壁内外温差

2、工况二：煤仓处于半仓状态，未计入贮料温度带来的煤仓壁内外温差

工程概况

某大型冶金原料厂的大直径钢筋混凝土煤仓结构，煤仓壁计算高度，煤仓内贮料计算高度，煤仓直径。煤仓壁上部壁厚0.7m，下部壁厚1.2m，厚度自上而下线性增大，煤仓内壁光滑垂直于地面，如图1所示。仓顶为钢管网壳结构，网壳矢高48m，网壳采用下弦周边多点支承，所有的支座均落在钢筋混凝土仓壁顶部，支座为固定铰支座。煤仓纵剖面示意图如图1所示。

有限元模型

3.1ansys模型的建立

该有限元模型在ANSYS中采用shell63弹性壳单元建立。计算模型为上端自由，下端固定的圆柱形壳结构。混凝土强度等级C30，质量密度2500kg/m3，弹性模量30x1010 N/m2，泊松比为0.167，混凝土的线膨胀系数0.00001/C°。

贮料侧压力的计算

当仓壁顶面以上贮料为圆截面椎体，破裂面不通过仓中心线时，根据我国新颁布的《钢筋混凝土煤仓设计规范》GB50077-2003中附录c.0.2的公式计算浅圆仓贮料作用于仓壁的侧压力，取贮料内摩擦角，贮料重力密度，

煤仓内贮料计算高度，煤仓壁计算高度：

（a、b为仓壁顶面以上贮料椎体的尺寸）

破裂角，计算贮料作用于仓壁上的侧压力系数：

模型荷载

a、煤仓上部网壳传给煤仓结构的竖直向下的永久荷载［2］，标准值400kn.，沿煤仓壁圆周每10°分布一个，共36个。荷载分项系数取1.2。

b、垂直指向煤仓侧壁的贮料侧压力，由3.2知分布函数为：。荷载分项系数取1.3。

c、贮料温度较高，外界环境温度较低，煤仓壁内外温差为煤仓壁内表面温度与外表面温度的差值，假定内外温差沿煤仓壁厚度线性变化，根据煤炭设计院的建议，煤仓壁内外最大温差取50C°。

有限元计算结果

煤仓壁最大拉/压应力值（单位：MPa）：

从以上结果可以看出：

（1）、计算结果中，径向应力的值非常小，可以忽略对其的分析。

（2）、贮料温度荷载是结构主要荷载，考虑温度作用时煤仓壁的应力远大于仅考虑贮料侧压力时的应力，考虑温度时的应力值与不考虑温度时的应力值之比约为7.4。

（3）、半仓状态较满仓状态更为不利，煤仓在半仓时的壁面应力值大于满仓时的应力值，在不考虑温度荷载时，两种情况的应力值之比约为1.52，在考虑温度荷载时，两种情况的应力值之比约为1.1

下图为ansys中工况四的等效应力图：

工况一 工况二

结论

1、贮料温度对大直径煤仓的壁面应力影响很大，不可忽视。温度引起的环向应力如果按其最大环拉力的8%计算是远远不够的。在实际工程设计中对煤仓壁温度荷载的分析计算要慎重研究，不可直接按8%取值。

2、工程设计中应特别注意除了分析满仓时的应力状态，还要分析非满仓（如半仓、3/4仓等）时的应力状态，找到最不利工况，取其应力值来进行设计。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家标准，钢筋混凝土煤仓设计规范GB50077-2003

[2]夏广政，夏冬桃巨型贮煤煤仓在环境温度作用下的有限元分析空间结构2009.3