摘要：本文用实验和数值仿真分析的方法研究一实际浅埋箱形卸煤沟结构的力学特性，该结构的主梁采用少见的斜向布置方案。
关键词：卸煤沟；有限元；结构模型；试验研究；ANSYS
ABSTRACT:this thesis studies the mechanical properies of a real shallow Coal Unloading Chute based on the experiments and the numerical simulation method analysis . The main beams of the Coal Unloading Chute are arranged in inclined divedion which are rarely used.
keywords: Coal Unloading Chute finite element structure model test research ANSYS type of thesis: fundamental application
工程背景及研究意义
火力发电厂建筑是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。火力发电厂的输煤建（构）筑物包括上煤、储煤、碎煤、配煤四大部分。输煤系统是火力发电厂燃煤锅炉的燃料供应系统，对于大型火力发电厂而言，每天的煤耗超过万吨，可靠的燃料供应系统是安全稳定生产的保证。
本文所研究的斜梁式浅埋箱形卸煤沟是火力发电厂的输煤系统的核心建筑物。常规卸煤沟主体结构通常为横平竖直、十字交叉的梁板结构，受卸煤车辆最小转弯半径要求与实际工程场地条件的限制，只有将结构布局为斜梁式浅埋箱形结构，为了确保大型火力发电厂卸煤沟结构的安全可靠性，并为设计提供可靠的依据,本文用实验和数值仿真分析的方法，研究浅埋箱形卸煤沟结构的力学特性，该结构的主梁采用少见的斜向布置方案。
本文针对浅埋箱形卸煤沟结构的力学特性进行了研究。
一、研究的背景
某电厂初期采用火车进煤手段，伴随煤炭供应紧张的先期条件，国内供电不足的矛盾愈发突出，各发电企业为此都在努力拓宽进煤的渠道，但是受到已有场地条件的限制，要扩建新的卸煤系统，通常的设备运行模式无法实现。该电厂希望利用厂区北侧的一条废弃的旧河道布置汽车卸煤系统，同时要求保证大型卸煤车辆的使用，该厂地南北宽度仅有数十米，东西长约180米，南侧为铁路专用线，北侧为公路，利用有限的场地实现工艺流程的要求，为火电厂土建结构的设计提出了新的课题。常规汽车卸煤沟结构零米通行汽车的主梁采用水平面内垂直于侧壁布置，汽车与卸煤沟成直角进出。本工程厂地狭长，采用的VOLVO-FM12型自动卸煤卡车，全长约14.5m，满载重量大于80吨，是国内允许常规公路运输采用的最大吨位车辆，车辆重、转弯半径大，只有8字型布置车辆的通行路径，才能在该厂地顺利通行，在卸煤沟必须沿东西方向垂直布置的条件下，卸煤沟零米主梁只能沿着汽车通行的最小路径采用斜向布置，这种运行工况在国内尚属首次，在国际电力系统能够检索到的资料中也没有先例。需要对该汽车卸煤沟结构进行整体计算及钢筋混凝土模型试验，以期为工程设计提供科学、可靠的设计依据。
图2.1 卸煤沟模型结构
二、斜梁式浅埋箱形卸煤沟模型试验
本次试验在原结构的1/10缩尺比例的模型上进行，即几何相似常数
（其中下标m表示模型，下标p表示原型）。模型与原型均采用C30混凝土，弹性模量相同，即弹性模量相似常数
。模型的设计以模型试验理论为基础，根据描述物理过程的物理量的量纲和谐原理[26]，寻求物理过程中原型与模型各物理量间的相拟关系而求得相似系数。
三、模型试验结果分析
通过对地下卸煤沟整体结构在各种运行工况下的模型试验研究，可以得到如下主要结论：
土壤对结构侧壁产生的土压力随深埋而增加，无粘性土的土压力近似三角形分布，基底反力分布为抛物线型。
移动荷载作用下梁的荷载-挠度曲线近似水平，说明由于斜梁的断面尺寸选择较大，相对于作用在其上面的车辆而言，移动荷载的作用位置对挠度的影响很小。底板的挠度对荷载的变化较敏感，在底板未开裂前，荷载作用下最大挠度发生在底板，而荷载作用下侧板的挠度相对梁和底板最小。
实测得到主梁的钢筋应变具有不对称性，以弯曲变形为主，伴随扭转、非对称轴压。
侧壁在较小的荷载作用下从梁底和侧壁交界的水平位置处出现贯通裂缝，表明侧壁对斜梁的嵌固作用很小，斜梁相当于简支在侧壁上。
图3.6 L1钢筋载荷－应变曲线
底板沿纵向的应力分布接近一致，表明梁的斜向布置对底板的影响不甚明显；侧壁中部的变形沿纵向基本一致，表明侧壁在竖向荷载和土壤的作用下没有发生翘曲和扭曲变形。
图3.8 集中载荷作用在跨中斜梁载荷－挠度曲线
整个破坏过程为侧壁出现贯通裂缝；斜梁开裂，底板出现贯通裂缝，斜梁达到极限承载力。破坏时，斜梁有多道斜裂缝和一条主要弯曲裂缝，底板一条裂缝，梁底和侧壁交界的水平位置各一条裂缝。
图3.10 裂缝展开图
本次试验底板破坏形式呈少筋受弯破坏。主梁的斜向布置使梁在竖向荷载作用下除了产生弯矩以外还产生扭矩，但扭矩较小，弯矩较大，较大的弯矩使弯曲受拉区钢筋首先屈服而起控制作用，斜梁的破坏特征为弯型破坏，梁端的破坏特征为大偏心受压破坏。
四、三维有限元仿真分析
借助大型多用途通用有限元仿真软件ANSYS，在本节中建立该斜梁式浅埋箱形卸煤沟试验的数学模型。在建立模型进行分析过程中，首先形成坐标系，如图5.1所示，以卸煤沟跨中轴线为z轴；x和y轴垂直于z轴，且坐标系满足右手法则。图5.1（a）所示为卸煤沟结构的模型；由202条线组成99个面和13个体。根据实际试验中的模型（图2.3），考虑了卸煤沟周边的土壤，模型底部砂厚为500mm，两侧各1500宽，建立了整体结构的模型。如图5.1（b）所示，整个模型由236条线组成122个面和18个体。
（a）卸煤沟结构模型
图5.1 结构模型
钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为分离式、整体式和组合式。分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理。对于复杂的结构，建立这种模型就变得非常困难；如果分析中考虑两者之间的接触问题，其计算量也是无法接受的。而整体式模型解决了这个问题，它将钢筋分别于整个单元，假定混凝土和钢筋粘结很好，并把单元视为连续均匀材料。
(b)整体结构模型
图5.1 结构模型
当跨中集中载荷增加到一定数值时，积分点状态如图5.12所示。可以看出底板跨中出现贯通裂缝。斜梁中的裂缝大量出现，在梁的剪弯区段下边缘出现的垂直裂缝斜向发展，并向集中荷载作用点延伸；而且侧壁出现贯通裂缝。整个破坏过程和试验一样，为侧壁出现贯通裂缝；斜梁开裂，底板出现贯通裂缝，斜梁达到极限承载力。
图5.12 集中载荷作用在梁跨中时积分点开裂状
采用有限元分析软件ANSYS建立了模型简化处理尽可能接近实际结构的卸煤沟结构三维有限元模型。采用ANYSYS中专门为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，SOLID65单元，离散化了卸煤沟钢筋混凝土结构。并考虑了混凝土材料的拉裂和压溃现象。根据实际配筋情况考虑了钢筋在混凝土中的力学性能，在单元中定义了混凝土中三个方向的加强钢筋，钢筋的本构为双线性随动硬化模型。根据实测参数，采用Drucker－Prager（DP）材料模拟了结构周围土壤的作用。通过对建立的非线性方程的迭代求解，获得了该结构在不同工况下的土压力分布、应变图以及裂缝分布等计算结果。将三维有限元模型计算结果同试验结果进行了大量对比，发现计算所得的无论是土压力、应变还是结构开裂、压碎情况都和试验结果一致。表明所建立的三维有限元模型是合理的，可以可靠地预测实际结构的变形、破坏状况，从而为设计工作提供有力的理论依据。
五、总结与展望
本文对某火力发电厂进煤系统的主体建筑物卸煤沟进行模型试验研究，并采用大型有限元数值仿真软件ANSYS建立了该结构的三维有限元模型，将数值结果与试验结果进行了对比研究。
但该模型的工作还仅仅发展到验证模型试验结论和为实际工程提供理论依据的层面上。如果能在模型方面进一步的加深研究，建立一个针对地下结构的、在各种使用工况和结构形式下的广义分析模型，以期能够较为准确的通过计算机模拟方式预测各类地下结构的变形、破坏状况，必将为减少模型试验工作量，缩短设计周期，优化结构形式，降低工程造价提供有力的技术支持。
参考文献
[1]《特高压换流站调相机工程设计》（在编）.
作者简介
严力（1969），男，工程硕士，研究方向为火力发电厂综合设计咨询、工业与民用建筑结构。
论文作者:严力
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/12
标签：模型论文; 结构论文; 侧壁论文; 裂缝论文; 荷载论文; 底板论文; 火力发电厂论文; 《电力设备》2019年第14期论文;