高祥杰

摘 要：針對電力行業(yè)中的特種結(jié)構(gòu)-煤倉中央柱結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，立面復(fù)雜特點，在圓形煤倉中央柱承載力分析中運用大型有限元計算軟件SAP2000，利用計算機的優(yōu)勢對煤倉中央柱整體建模研究分析。

關(guān)鍵詞：SAP2000；數(shù)值模擬；有限元分析；煤倉中央柱

中圖分類號：TU311.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0019-02

一般大型火力發(fā)電廠的輸煤棧橋始于圓煤倉中心地下，由卸煤斗將煤從中心柱頂部卸下，通過地下棧橋?qū)⒚哼\走，距離中心柱一定距離處設(shè)置一個緊急卸煤斗裝置。地下運輸系統(tǒng)包括中央柱、緊急卸煤斗、地下隧道。中央柱基礎(chǔ)支撐上部堆料取料設(shè)備及卸煤漏斗，荷載由廠家提供，結(jié)構(gòu)型式為帶三個支墩、頂面開大圓孔的圓形砼筒壁。本文以某大跨越工程實例為背景，根據(jù)工程場地地質(zhì)水文條件及其上部結(jié)構(gòu)荷載分布特點，在設(shè)計中運用了大型有限元計算軟件SAP2000，采用整體建模研究分析。

1 工程概況

三水恒益電廠“上大壓小”2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機組工程規(guī)劃總?cè)萘繛?×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機組，位于佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)。本工程地面粗糙度B類；地震烈度： 多遇地震（50 a內(nèi)超越概率為63%）水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.068，特征周期Tg=0.45 s，相應(yīng)的基本地震（50 a內(nèi)超越概率為10%）地面加速度峰值0.077 g。設(shè)計地震分組：第一組。場地類別：本場地絕大多數(shù)區(qū)域采用吹砂回填，回填土層下臥軟弱層，建筑場地類別為Ⅱ類，屬對建筑抗震的不利地段。

2 工程建模

2.1 幾何模型的建立

采用SAP2000中的實體建模，實體模型采用實際尺寸。

2.2 材料的選擇以及所用參數(shù)

計算模型的材料及所用參數(shù)均根據(jù)規(guī)范中的通用數(shù)據(jù)選取。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分從下往上建模，直接生成實體，因為無法進行布爾操作，需要預(yù)先在CAD中想好如何劃分網(wǎng)格，按照實際存在的節(jié)點布置完后采用自由網(wǎng)格劃分，也可以生成網(wǎng)格圖形，但一般是四邊形或者三角形單元，難點在于圓形截面外緣是由無數(shù)個多段線連接而成，事先要設(shè)想好連接方式。這種方法較簡便，而且便于后處理以及優(yōu)化設(shè)計分析。

加荷載事先要將荷載面分割選定（如果是集中荷載則要設(shè)定關(guān)鍵點和節(jié)點），在面上加荷要注意力向。至于重力一般是加反向的體加速度，SAP2000會根據(jù)其各自的密度計算出實際的重力。在計算前，SAP2000會自動將荷載和位移邊界條件傳到網(wǎng)格節(jié)點上。當(dāng)然，也可以在網(wǎng)格劃分以后再布置荷載和位移邊界條件。

2.4 加載

①邊界條件。由于煤倉中央柱基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，所以只需在XY面上施加彈簧模擬樁基約束，彈簧剛度可根據(jù)試樁報告計算獲?。怀酥?，其余各邊界面按無約束考慮。

②荷載。在煤倉中央柱結(jié)構(gòu)上施加荷載，所加荷載主要分為恒載，活載，及地震荷載。恒載：Dead，結(jié)構(gòu)自重及上部結(jié)構(gòu)荷載以及土的豎向壓力，側(cè)向壓力等；側(cè)向壓力計算：煤高按5 m考慮荷載效應(yīng)組合及分項系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）采用。荷載直接施加于實體模型上，在SAP2000程序中，求解時程序?qū)⒆詣訉⑺雍奢d轉(zhuǎn)換到節(jié)點和單元上。

3 用SAP2000有限元程序的計算結(jié)果分析

3.1 側(cè)壁計算

根據(jù)圖1的應(yīng)力計算結(jié)果，推算出側(cè)壁底的最大彎矩為545.9 kN·m，側(cè)壁實配Φ22@150鋼筋，As=2 534 mm2。

對于0.7 m厚側(cè)壁：

？籽=■=■=0.396%>？籽min=45■=0.2145%

？孜=？籽■=0.396×10-2×■=0.1<？孜b=0.55

Mu=fyAsh0（1-0.5？孜）=360×2 534×640×（1-0.5×0.1）=554.6 kN·m>Mmax=545.9 kN·m，所以配筋滿足要求。

3.2 支墩計算

支墩牛腿：

？茁■■=0.8■

■=14 916 kN>Fvk=11 334 kN

As>■+1.2■=■+1.2■=17 257 mm2

實配：22？準(zhǔn)32，As=17 688 mm2

3.3 底板計算

3.3.1 配筋

根據(jù)SAP模型計算結(jié)果，分析應(yīng)力較大處，面積為179 266.32mm，?。孔?3.2 N/mm2，則每米所需鋼筋面積As≥179 266.32×3.2/300（1 000/250）=7 649 mm2，實配？準(zhǔn)32@100，每米As=8 042 mm2。

3.3.2 底板抗沖切驗算

筏形承臺：

承臺受基樁的沖切承載力為：

2.8×（bp+h0）×？茁p×ft×h0

=2.8（0.8×1 000+1 400）×■×（0.9-1）+1×1.71×1 400

=13 891.66 kN>6 693 kN滿足要求。

板受基樁的沖切承載力為：

（0.7×？茁h×ft+0.15×？滓pc，m）×？濁×um×h0

故沖切承載力為：

（0.7×0.942×1.71）×1×8 400×1 400=13 260 kN>6 693 kN，滿足要求。

4 展 望

煤倉中央柱基礎(chǔ)是圓形煤倉中支撐上部堆料取料設(shè)備及卸煤漏斗的重要工程結(jié)構(gòu)，但是目前對于這種特種結(jié)構(gòu)的有限元分析研究還比較少。本案例將有限元法應(yīng)用到實際工程中，對煤倉中央柱采用SAP2000軟件進行整體建模模擬，證明用有限元法是一種科學(xué)、合理、經(jīng)濟的計算方法，在特種結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域具有很好的前景，為煤倉中央柱基礎(chǔ)型式選擇與設(shè)計優(yōu)化提供準(zhǔn)確可靠的設(shè)計參數(shù)，確保中央柱基礎(chǔ)工程的經(jīng)濟適宜和技術(shù)可行，并將有限元分析所得的綜合結(jié)果投入到實際工程中去。根據(jù)理論與實踐，研究出安全、經(jīng)濟、實用的科技成果。希望未來能對煤倉中央柱的有限元分析理論更進一步研究，并加以完善。將有限單元法、有限元分析軟件能夠更多地運用到煤倉中央柱基礎(chǔ)分析之中，隨著計算機水平和有限元理論的迅速發(fā)展，現(xiàn)代的設(shè)計方法不斷地更新，SAP2000也將會在電廠建筑尤其是在特種結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻：

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].