300 t搅拌站储料仓倒塌破坏原因

300 t搅拌站储料仓倒塌破坏原因
周新祥;胡光宇;刘成;汤艳玲;类兴隆;韩达梦
【摘要】为搅拌站储料仓结构安全设计提供可靠的参考依据,以混凝土钢结构搅拌站300 t储料仓倒塌问题为研究对象,对钢结构支架采用有限元分析,结果表明,钢结构支架的强度、刚度、稳定性及静、动态分析均满足要求,不可能造成倒塌.对钢结构支架上端与筒体焊接及连接处的应力强度进行分析计算,结果表明,焊接面尺寸不足造成焊接强度不够,使上端与筒体先脱离,钢结构支架失效,是混凝土搅拌站300 t 储料仓倒塌破坏的主要原因.针对储料仓钢结构底架提出了改进措施.
【期刊名称】《辽宁科技大学学报》
【年(卷),期】2013(036)002
【总页数】4页(P141-144)
【关键词】储料仓;有限元分析;稳定性;焊接强度
【作者】周新祥;胡光宇;刘成;汤艳玲;类兴隆;韩达梦
【作者单位】辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,辽宁鞍山114051
【正文语种】中文
【中图分类】TU391
对储料仓钢结构底支架的设计大多从静态强度、刚度、稳定性考虑。

近年来，不同吨位储料仓钢结构底支架在使用中出现倒塌损坏问题。

为了找出倒塌原因，本文以某混凝土钢结构搅拌站300 t储料仓钢结构支架在使用中倒塌破坏问题为研究对象，对钢结构支架采用有限元法，分析钢结构支架的强度、刚度、稳定性及静动态问题［1］，并对钢结构支架上端与筒体焊接和连接应力的强度进行分析计算［2］。

根据储料仓外形尺寸、结构特点、工作及附加荷载分析可知，作用于储料仓支架上的固定荷载，包括工作载荷、钢结构自重、机械设备自重等。

人群荷载指检修平台上无设备区域的操作荷载，按2 k N／m计算。

风荷载是垂直作用在结构外围上的风载。

研究对象的支架为对称结构，只需考虑一侧风向，记为左右风向。

根据建筑结构荷载规范［3］，风荷载垂直作用在钢结构外围上，标准值式中：W0表示基
本风压的大小，对搅拌站一般可取0.6 k Pa。

βz表示高度为z处的风振影响系数，与钢结构的自振周期有关；当自振周期大于0.025 s或当结构高度大于30 m时，且高度与宽度之比为大于1.5的高柔结构，必须考虑风压脉动作用对结构发生风振的影响。

μs为风荷载作用体形影响系数，本文取迎风作用面μs＝0.8和背风作用
面μs＝0.5。

μz为风压脉动高度变化影响系数。

混凝土搅拌站大多远离市区，对
于钢结构混凝土搅拌站的风压脉动高度变化影响系数一般按地面粗糙度为B类选用，根据实际高度取相应的风压高度系数为1.42。

根据以上参数选取，可得迎风
面W＝480 Pa和背风面W＝300 Pa。

钢结构材料选用Q235A，计算密度取值为7 850 kg／m3，考虑到钢结构附件次梁没有计算在内，将密度增加到7 900 kg
／m3，弹性模量E取206 GPa。

分别选用：空间三维弹性管单元pipe16，梁单元beam188，弹性壳单元shell63，杆单元link8，质量单元mass21，模拟储料仓底架的立柱、边梁，检修平台和支
撑杆系。

下部空间“门”形刚架结构理论上按铰接柱脚处理。

在有限元力学模型中，柱脚的
3个方向的位移受到约束。

储料仓底架的有限元模型如图1a，施加载荷后的有限元模型如图1b。

在只考虑钢结构自重及工作载荷时，按上述有限元方法计算得到静力学分析的总体平均变形位移，如图2a所示。

由图2a可看出，储料仓底架在工作中发生最大位移位置在检修平台的中间部分，为29.72 mm；在支撑立柱最上部的立柱与水泥仓交接处存在3.959 mm位移，平均位移为7.125 mm。

根据钢结构设计规范查得挠度的许用值，判断水泥仓支架具有足够的刚度［3］。

图2b为底架结构的应力分布图。

底架结构最大应力为145 MPa，发生在与最上层边梁相交接的支撑力柱的外侧，与实际情况相符。

根据储料仓底架钢结构的结构和承载特点，立柱承受的力较大，故对其进行研究。

储料仓底架钢结构近似为对称结构，因此，仅对其中的一个立柱所受的轴力及弯矩情况进行研究，立柱的轴力弯矩忽略。

理论模态分析主要是根据钢结构支架尺寸，利用其有限元力学模型，寻求结构的振动特性和规律，了解钢结构系统固有频率和振型的特性，分析钢结构支架的倒塌是否与外界激励干扰有关，结构是否发生共振破坏。

本文分析结构的前9阶模态振型。

1～9阶的固有频率分别为：8.978，14.124，14.158，14.288，16.607，16.876，16.888，17.841，17.875 Hz。

3阶和5阶模态振型如图3所示。

经分析，固有频率均避开了上料机等干扰频率，排除由发生共振引起的结构破坏。

在钢结构的设计中，仅对钢结构进行的强度和刚度计算是不够的，不能保证整体结构的安全性，必须进行稳定性分析，亦称屈曲分析。

稳定分析包括线性稳定分析和非线性稳定分析两种。

储料仓底架钢结构材料为
Q235A，可采用线性稳定性分析方法。

其边界条件及载荷与静力学的分析相同，经分析计算，1～6阶储料仓底架钢结构的屈曲模态特征值分别为：7.671 4，8.564 6，8.582 9，9.527 2，13.530，14.208。

储料仓底架钢结构的临界载荷屈
曲模态特征值为7.6714，满足结构的稳定性要求。

本文对储料仓底架的立柱上端与筒体固定有焊接或座板两种连接方式的应力强度进行分析［1］。

（1）立板焊缝断口计算。

由立柱和立板的结构尺寸和材料分析可知，W ＝3.3 MN，每根柱F＝W／4＝825 k N。

焊缝焊接处：剪力V＝825 k N，弯矩M＝1.125 MN·m。

（2）剪力影响计算。

焊缝由一个水平弧（弦）1和两个竖弧2相贯而成，经分析
1焊缝刚度不足，可设定剪力由两个竖弧焊缝承受。

焊脚h f2＝15 mm，he2＝10.5 mm；有效（竖直）l w2＝700 mm；τ2＝V／∑he2 l w2＝51.6 N／mm＜f wf＝160 N／mm。

（3）弯矩影响计算。

考虑上弧弦焊缝与竖弧焊缝参与传递弯矩的计算，全部焊缝对中和轴的惯性矩，经简化计算Iw＝748×106 mm4，Y c1max＝467 mm，
σfmax＝MY c1max／Iw＝702.3 MPa＞1.22×160＝195 MPa，焊缝最大正应力不满足。

重新设计时，增大焊缝对中和轴的惯性矩，拟加装支撑板2块，4个竖直焊缝，加上原有2个竖弧焊缝。

中和轴的惯性矩为I w＝1.8×109 mm4，Y c＝350 mm，σfmax＝MY c／Iw＝218 MPa＞195 MPa。

采用3块，6个竖直焊缝，加上原有2个竖弧焊缝。

中和轴的惯性矩为Iw＝2.4×109 mm4，Y c＝350 mm，σfmax＝MY c／Iw＝163.6 MPa＜195 MPa。

根据设备制造工艺、经济成本、原结构强度的安全储备，采用2块可行，最好加
焊3块。

通过受力分析和方案优化比较，最终选取12个支撑板。

每个柱端3个支撑板，高度700 mm，宽度16 mm，双焊缝，如筒体强度、刚度、稳定性足够，参照第一种正应力和剪应力强度分析，满足安全需求。

座板：4个，每柱1个，Q235，f v ＝115 MPa，剪力V＝825 k N，板的剪切强度设计：τmax＝V／A≤115 MPa，
A＝πDt，D＝325 mm。

得板的厚度t＞7 mm。

将筒体看成刚体，强度、刚度和稳定性足够。

如有变形，柱端面与座板焊接处将有弯矩：M＝1.125 MN·m，空心圆截面抗弯截面模量W。

满足正应力强度要求。

根据上述分析计算，采用座板连接方式也是可行的。

对钢结构支架采用有限元法进行静力、静态变形、应力分布、稳定性计算，结果表明，钢结构支架的强度、刚度、稳定性及静动态性能均满足要求，不可能造成倒塌。

对钢结构支架上端与筒体焊接或连接应力的强度进行分析计算，结果表明，由于焊接面尺寸不足，造成焊接强度不够，使上端与筒体先脱离，钢结构支架失效，造成混凝土搅拌站300 t储料仓倒塌破坏。

通过对混凝土搅拌站300 t储料仓倒塌破坏原因分析，提出的改进措施可为搅拌站储料仓结构安全设计提供参考。

【相关文献】
［1］赵风华，黄金林.钢结构设计原理［M］.北京：高等教育出版社，2005：35-147.
［2］中华人民共和国建设部.GB50009-2001，10-2002——建筑结构荷载规范［M］.北京：中
国建筑工业出版社，2002：6-46.
［3］中华人民共和国建设部.GB50017-2003，147-2003——钢结构设计规范［M］.北京：中国
计划出版社，2003：1-117.
［4］王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2006：56-98.
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