摘 要:以湛江某发电厂烟囱承台为研究对象,根据钢筋混凝土的力学特性,利用ansys有限元技术建立模型进行数值模拟,分析了烟囱承台在荷载作用下的应力分布特点,并通过改变承台模型的几何参数,对不同承台的应力分布情况进行对比分析,提出承台优化设计的理念,分析结果具有理论意义和使用价值,可供同类工程借鉴。
关键词:烟囱,承台,有限元分析,优化设计
烟囱是火力发电厂的标志性构筑物,高度高、体量大,在地基条件优良的地区,基础承台一般采用钢筋混凝土圆板基础。《烟囱设计规范》中仅给出了基础内力设计公式,缺乏更进一步详细的条文;目前的烟囱设计中缺乏对钢筋混凝土承台的试验和理论研究成果,主要采取依据规范公式初拟断面尺寸,然后通过有限的方案试算及比较来确定最终方案的方法。烟囱基础设计存在优化的空间,合理的设计能在保证安全的前提下节省烟囱基础造价。依赖经验的设计,最终选择的方案一般都偏于保守,无形中加大了工程的投资。所以,在进行烟囱承台设计时,若能通过有限元计算的方法进行优化设计,将节约大量成本。其优化目标应为在混凝土与钢筋用量w最小以及承台的最大应力s最小的情况下,烟囱基础承台的安全系数k能满足使用要求,即:objf=min{w,s}≥k(1)
1 ansys分析模型
步骤直到达到规定的最大位移值或最大基底剪力。这一方法与传统的push-over方法相比较,它体现了结构反应的动力特性,还体现出结构和地震频谱特性的耦连效应,克服了位移影响系数法和能力谱方法的不足,但概念复杂和计算量大。软件是融结构、流体、电磁场、声场于一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于土木工程、水利、国防等领域的科学研究。文中采用该软件模拟烟囱基础承台在烟囱作用力下的应力特性,并根据不同的方案计算结果做了优化分析。烟囱基础承台是钢筋混凝土结构,钢筋混凝土是由混凝土和钢筋两种具有不同物理力学性能的材料组合而成的复合材料。钢筋和混凝土的组合在有限元计算中有多种方式,文中在an-sys计算中采用分离式模型,即利用空间杆单元link8模拟钢筋,用solid65八节点六面体模拟混凝土,钢筋和混凝土共用节点,它们之间满足位移协调关系。solid65是面向混凝土和岩石材料的单元,它不但可以模拟混凝土才所特有的开裂、压碎等现象,而且预先定义好了混凝土的破坏准则。solid65单元的破坏准则是:ffc-s≥0 (2)其中,f为应力组合;s为破坏曲面。solid65本构关系是弹塑性+断裂本构关系。其中用弹塑性本构关系描述混凝土的受压行为,用断裂本构关系描述受拉行为。link8空间杆单元模拟钢筋采用的是双线性随动强化模型(bkin),单轴应力—应变关系为理想弹塑性模型。
2 实例计算及成果分析
2.1 工程概况
参考工程是湛江某发电厂的烟囱承台,该烟囱混凝土外筒身高198.0 m,出口内直径17.4 m,与基础相连部位筒壁厚度450 mm;外筒内嵌套两个钢内筒,钢内筒高度205.0 m,内直径6.0 m。原设计烟囱基础承台为圆形,半径22.3 m,中间厚度3.7 m,其剖面图见图1。主钢筋是φ25,混凝土等级为c25。圆形支墩相联。
2.2 有限元分析模型
由于烟囱承台是圆形对称的,则可取其中的1/4作为分析对象。根据图1所示的断面形式以及其相关的结构图,可确定出有限元单元网格划分模型。
2.3 计算结果分析
根据前述计算模型,采用ansys程序的apdl语言编制关于烟囱承台计算的有限元程序。烟囱受到恒、活、风、地震等组合荷载的作用,为简化计算将其以外荷载的形式直接加到承台上,进行模拟计算。见图2是计算得到承台各点应力以及钢筋轴力的大小及分布情况。从图2中可以看出烟囱承台在外荷载的作用下,正应力的分布特点是:在承台与筒体根部连接部位的正应力较大,沿筒体内外两侧都衰减很快;而竖向则是从筒体接触部位到承台底部逐渐减小,在承台底部正应力值已经较小了。剪应力的分布特点是:剪应力较大值主要分布于承台与筒体根部连接位置的两侧,且向周围迅速衰减。钢筋受力特点是:轴力较大部位主要集中于外筒下面的环向钢筋,以及附近的径向钢筋,其他部分的轴力则较小。
2.4 优化分析
烟囱承台的安全与否,最主要的是看钢筋混凝土是否发生破坏,判断标准是混凝土是否开裂、钢筋是否达到屈服。为进一步对该承台进行应力特性分析,在外荷载不变的情况分别改变原有承台的厚度和钢筋数量进行优化分析,具体方案见表1。
计算方案编号内容
1承台混凝土厚度减少20%
2钢筋数量减少33%
针对表1所列方案,采用前述计算模型和有限元程序计算得到各方案下的应力特性,与原方案的应力特性对比见表2。计算结果表明:1)两种方案的剪应力与正应力的最大值和原来的设计方案对比差别不大,且发生的位置也大致相同。但方案1与原设计方案对比可以看出,原方案的承台下部有更大部分的混凝土的正应力和剪应力处于较低水平,说明原设计承台存在更大的利用空间。而方案2承台的下部混凝土的正应力相对原设计方案有所增大,说明钢筋的减少影响混凝土的应力分布;2)方案1对比原设计方案,混凝土承台底板厚度减小了20%,钢筋受拉轴力和受压轴力有所增大;3)方案2对比原设计方案,由于钢筋数量的减小,环向钢筋所受拉力变化不大,但径向钢筋受压明显增大,说明径向钢筋在承台中发挥着主要作用。此外,承台的最大剪应力增大较多,也说明了配筋率对剪应力有较大影响。
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