0 引言

近年来, 电厂采用的圆形煤场越来越多, 而煤场结构计算是圆形煤场设计中的一个难点。圆形煤场挡煤墙作为特种结构, 计算时要考虑堆煤荷载与基础对地基土的影响^[1], 通常采用有限元软件进行计算。本文以某圆形煤场为对象, 选用2种不同的有限元软件分别进行建模计算, 并对模型整体变形云图计算结果进行对比, 以期为类似工程设计提供依据。

1 工程概况

某圆形煤场内直径为90 m, 仓顶为钢结构网壳, 挡煤墙主体为现浇钢筋混凝土结构, 基础采用现浇钢筋混凝土环形基础, 地基为天然地基, 基础持力层为卵石层, 其地基承载力特征值400 kPa。上部结构由挡煤墙、环梁、扶壁柱组成, 基础为环形基础。挡煤墙、环形基础均环向360°连续设置。挡煤墙内半径为45.24 m, 厚度为0.6 m, 墙高21 m, 其中地面以下部分高为2 m, 地面以上部分高为19 m, 内部堆煤高度为18 m。为加强刚度、减小顶部变形, 挡煤墙顶部设置环梁, 高1 m, 宽4 m。每隔11.25°布置1根扶壁柱, 整个煤场布置32根, 扶壁柱截面尺寸为3000 mm×1200 mm。挡煤墙下环形基础高为2 m, 宽为8.5 m。

2 计算模型

整体计算模型几何尺寸与煤场实际尺寸一致。计算模型采用柱坐标系, 原点设在煤场中心标高±0.00 m处。边界条件:在环基底部施加固定约束, 其余部分单元未施加约束, 可自由变形。混凝土本构模型及参数:环基及挡煤墙材料为C35混凝土, 压缩模量31 500 MPa, 泊松比0.2, 采用线弹性本构模型, 不考虑其开裂和塑性。

为了对单荷载工况结果进行对比, 荷载工况仅考虑堆煤荷载和温度荷载。

(1) 堆煤荷载。根据工程经验, 堆煤荷载考虑全场堆煤和半场堆煤2种计算情况。堆煤荷载体现为堆煤侧压力。煤的容重取10 kN/m3, 堆煤高度为18 m, 侧压力系数取0.46。侧压力沿筒仓高度线性变化, 作为面压力施加在挡煤墙内表面^[2]。

(2) 温度荷载。圆形封闭煤场挡煤墙为大体积混凝土结构, 对温度作用比较敏感。挡煤墙建成投运后, 环形基础埋在土中, 温度变化较小; 上部结构暴露于大气环境中, 夏季气温可达40℃, 而冬季气温最低又降到-20℃, 上下温差很大。同时在煤场内长时间堆煤, 煤堆内部会发热甚至自燃, 所以堆煤处挡煤墙的内表面温度一般高于环境温度, 为此还考虑了挡煤墙的内外壁温差和温度梯度^[3]。

由以上分析, 确定荷载工况如下:全场堆煤荷载, 半场堆煤荷载, 整体升温荷载(挡煤墙初始温度25℃, 整体升温至40℃), 温度梯度荷载(挡煤墙初始温度25℃, 外表面环境温度0℃, 内表面升温至40℃)。建立的计算模型如图 1所示。

3 有限元分析计算 3.1 计算软件

采用MIDAS-Gen、ANSYS 2种有限元软件进行对比分析^[4]。

MIDAS-Gen是通用的空间有限元结构分析与设计系统, 适用于民用建筑、工业建筑、特种结构、体育场馆等结构的分析与设计。除了一般的静力、动力分析之外, 还可以进行施工阶段分析、水化热分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析、隔振和消能减震分析。

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序, 可用于求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题, 因此应用于多种工业领域。其分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析, 可模拟多种物理介质的相互作用, 具有灵敏度分析及优化分析能力。

3.2 单元模拟

MIDAS-Gen软件上部结构的有限元单元采用梁单元、板单元, 环形基础采用实体单元; ANSYS软件全部采用实体单元。

3.2.1 全场堆煤荷载作用下的整体变形云图

全场堆煤荷载作用下的整体变形云图见图 2、图 3。通过云图对比可以看出, 各模型变形趋势相同, 变形值相近, 具有较好的一致性, 其中MI- DAS-Gen软件计算结果偏大。煤场入口处因局部3跨的圆心角未考虑堆煤, 在该处变形较大。其余全场堆煤处变形比较均匀, 因顶部环梁刚度较大, 在挡煤墙上口形成圆箍的作用, 因此整体变形呈鼓形。间隔布置的扶壁柱对挡土墙形成支撑作用。

3.2.2 半场堆煤荷载作用下的整体变形云图半场堆煤荷载作

用下的整体变形云图见图 4、图 5。通过云图对比可以看出, 各模型变形趋势相同, 变形值相近, 具有较好的一致性, 其中MI- DAS-Gen软件计算结果偏大。未堆煤的部分几乎没有变形, 堆煤一侧变形和全场堆煤工况下的变形一致。变化最大的地方是堆煤和不堆煤的交界处, 挡煤墙、扶壁柱和上环梁在此处均有较大的变形, 堆煤处向外撑, 相邻的无煤处反而向里侧凹进。

3.2.3 整体升温荷载作用下的整体变形云图

整体升温荷载作用下的整体变形云图见图 6、图 7。通过云图对比可以看出, 各模型变形趋势相同, 变形值相近, 具有较好的一致性, 其中MI- DAS-Gen软件计算结果偏大。整体升温后结构有向上、向外膨胀的趋势, 而由于环形基础加了固定的边界条件, 不会产生变形, 因此挡煤墙变形后呈扩口的杯形, 从下向上的变形值逐步递增, 沿圆周方向比较均匀。

3.2.4 温度梯度荷载作用下的整体变形云图

温度梯度荷载作用下的整体变形云图见图 8、图 9。

温度梯度是模仿冬季运行的温度状态, 外部环境温度为0℃, 煤场内部堆煤后, 煤堆发热温度上升到40℃, 此时挡煤墙内部纤维膨胀, 外部纤维收缩, 挡煤墙和扶壁柱向外弯曲, 顶部环梁呈外翻状态。通过云图对比可以看出, 各模型变形趋势大体相同, 变形值有所区别。原因是各软件加温度梯度的操作方法不同, 内表面为光滑曲面, 易在面上施加温度; 外表面有扶壁柱形成的凹凸, 不易施加面上温度。面上温度施加后, 各软件还要按各自的方式计算温度场的分布, 再根据温度场进行变形计算。由于软件操作及内核的差异, 很难保证所施加的温度梯度荷载完全一致, 导致计算结果有差异。另外, MIDAS-Gen软件采用的梁板单元与实体单元不同, 梁板单元一般承受竖向荷载, 只能体现竖向变形, 而水平方向的扭曲体现不出来。

4 结论

根据以上分析, 可以得出以下结论。

(1) 2种软件模拟结果趋势一致, 数值也基本相同。

(2) 温度作用影响显著, 如果不考虑土基础的变形作用, 甚至超过堆煤荷载工况。因此, 为了减小温度作用引起的内力, 应尽量减小地上部分混凝土构件的截面。

(3) 在采用有限元软件计算时, 梁板单元模拟有所欠缺, 初步判断可能由于梁板单元的刚度比实体单元小, 使得各种工况下计算的变形普遍比实体单元要大。

(4) 顶部环梁可形成有效的环箍作用。从变形云图上可以明显看出, 挡煤墙在承受侧向荷载时, 整体变形呈鼓形, 挡煤墙和扶壁柱中部均向外鼓, 环梁径向变形小于挡煤墙和扶壁柱, 通过其回拉作用, 可以减小挡煤墙整体变形和挡煤墙、扶壁柱的底部负弯矩。

(5) 半场堆煤荷载工况下, 在堆煤和无煤的分界处, 挡煤墙变形变化强烈, 堆煤处外凸, 不堆煤处内凹。曾做过只考虑挡煤墙取消扶壁柱和顶部环梁的计算, 结果表明, 墙板会在堆煤和不堆煤分界处产生明显的褶皱, 说明此处结构受力差异较大。在实际运行过程中, 堆煤和不堆煤分界点在环壁上任何位置均有可能出现, 所以在设计时应该给予足够的考虑。

(6) 煤场为整体式环形结构, 未考虑温度分缝。有的设计方案为了减小温度作用的不利影响, 采用分段设缝形式, 每段可按挡土墙的方式进行结构的计算和校核, 其环向变形相对于竖向变形较小, 而且是不连续的。而不设缝的方案通过计算可以看出环向变形和受力比较明显, 体现出整体结构区别于分段结构的特性^[5], 结构的变形呈现连续变化。因此若挡煤墙不采用设缝形式, 则不宜按挡土墙断面方式进行计算, 否则会产生较大误差。