Ягофаров - Гибкие бункера

ЯгофаровХ. Гибкие бункера. 1980.

Обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации гибких бункеров. Приведена классификация существующих  конструктивных решений и способов расчета гибких бункеров.  Разработаны предложения по совершенствованию конструкций и  уточнению расчета гибких бункеров, в том числа с учетом  пространственной работы сплошных стенок. Изложена методика  технико-экономического анализа гибких бункеров, на основании которой даны рекомендации по выбору рациональных конструктивных решений и определению оптимальных параметров бункеров на стадии  проектирования. Приведены таблицы и графики по результатам  расчетов бункеров на прочность с использованием ЭВМ. Пользование предложенными методиками расчета поясняется численными  примерами.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников проектных и научно-исследовательских организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технологический процесс во многих отраслях народного хозяйства включает хранение и переработку сыпучих материалов в различных емкостях. Среди них наибольшее распространение получили стальные бункера, которые находят все более  широкое применение по мере повышения уровня механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ при  переработке сыпучих материалов. В то же время бункера являются одной из наиболее металлоемких конструкций. Например, в  горнорудной промышленности на строительство бункеров приходится до 10—15% общего расхода стали на строительные  металлоконструкции. Поэтому важной задачей является уменьшение массы. Среди стальных бункеров наиболее эффективны гибкие бункера, особенно больших объемов. Несмотря на то, что  гибкие бункера находят широкое применение в нашей стране, опыт их проектирования, строительства и эксплуатации в  технической литературе обобщен недостаточно. Имеющиеся  рекомендации по конструированию и расчету бункеров разрознены по различным периодическим изданиям, часто разноречивы и не отражают в полной мере действительную работу  конструкций. Это приводит иногда к ошибкам проектирования,  обусловливающим нарушение нормальной работы вплоть до  разрушения конструкций во время эксплуатации. Традиционная методика расчета гибких бункеров по  плоской схеме, т.е. как гибкой нити, подвешенной за верхние  точки к бункерным балкам, не учитывает пространственной  работы сплошных стенок. Поэтому уточнение расчетной схемы гибких бункеров является неиспользованным резервом  повышения надежности и экономии стали.

В настоящее время широко используются "методы технико-экономического анализа строительных конструкций при  проектировании с целью определения наиболее экономичных  решений. Применительно к гибким бункерам такая методика отсутствует, что затрудняет выбор рациональных конструкций и оптимальных параметров. Из сказанного вытекают задачи книги, а именно:

1) обобщить и критически проанализировать накопленный материал по проектированию, строительству и эксплуатации гибких бункеров;

2) разработать предложения по совершенствованию  конструкций и уточнению расчета гибких бункеров, в том числе с учетом пространственной работы сплошных стенок;

3) составить методику технико-экономического анализа гибких бункеров, на основании которой дать предложения по выбору рациональных конструктивных решений и  оптимальных параметров.

Структура книги подчинена идее возможно полного  решения перечисленных вопросов. Для анализа и классификации существующих конструктивных решений и способов расчета гибких бункеров использованы в основном последние  проектные решения институтов Уралмеханобр, Уралгипроруда, УралпромстройНИИпроект, Ленинградского отделения ЦНИИПроектстальконструкция, ЦНИИПромзданий.

При рассмотрении вопросов, связанных с  технико-экономическими показателями гибких бункеров, использованы методы технико-экономического анализа стальных  конструкций, разработанные* ведущими организациями страны. Автор выражает благодарность коллективу сотрудников лаборатории металлических конструкций УоалпромстройНИИ проекта, оказавшему большую помощь в выполнении  экспериментальных и теоретических исследований работы гибких бункеров, а также коллективам трестов Укрмонтажоргстрой (Донецкий отдал) и Уралстальконструкция, любезно  предоставившим материалы по монтажу крупных бункеров.

ВВЕДЕНИЕ

В технической литературе встречается несколько названий рассматриваемой конструкции бункера. Среди них: подвесной, параболический, с гибкой стенкой, гибкий и др. В данной  работе предпочтение отдается названию "гибкий бункер", как  наиболее соответствующему сущности конструкции. Гибкий бункер в принципе представляет собой стальную цилиндрическую оболочку практически неограниченной длины, подвешенную по двум крайним образующим. Благодаря  большой гибкости оболочка под давлением сыпучего материала принимает очертание по цепной линии независимо от  первоначальной (проектной) формы. В силу этого стенки гибкого бункера работают в основном на растяжение. Гибкие бункера имеют длительную историю применения и на современном этапе отвечают общему направлению  развития строительных конструкций, в частности расширению  областей применения в строительстве висячих систем с  растянутыми поверхностями [53,54].

В стенках гибкого бункера практически отсутствуют  сжимающие усилия и не возникает проблемы обеспечения их  устойчивости, в связи, с чем можно эффективно использовать высокие прочностные показатели стали на растяжение, в том числе высокопрочных сталей и канатов.

Область' применения гибких бункеров довольно обширна. Чаще всего их применяют в горно-обогатительных и рудоподготовительных предприятиях, на шахтах, в доменных цехах, больших котельных, а также на предприятиях других отраслей народного хозяйства, связанных с хранением и переработкой сыпучих материалов.

Гибкие бункера используют для хранения больших запасов сыпучего материала, когда они становятся более  рентабельными по сравнению с другими емкостями, например, бункерами с жесткими плоскими стенками, силосами и т.д. Гибкие бункера наряду с функцией аккумулятора  сыпучего материала часто выполняют функции распределения его по отдельным секциям технологического оборудования. В последнем случае основные габариты бункера, т.е. пролет и  длина , определяются необходимым объемом, с одной стороны, и фронтом разгрузки, с другой. Гибкие бункера используют также и в качестве промежуточных складов. Пролеты гибких бункеров кратны 3 м и колеблются в  пределах от 3 до 18 м. Наиболее распространенные пролеты 6, 9 и 12 м. Длина гибкого бункера практически не ограничена. К преимуществам гибких бункеров по сравнению с другими типами емкостей относятся прежде всего их экономичность, простота и сравнительно невысокая трудоемкость изготовления и монтажа, а также высокая эстетичность.

Экономичность гибкого бункера обусловливается самой конструкцией, обеспечивающей работу стенок на растяжение, в которых материал используется эффективно. Кроме того, такие стенки не нужно подкреплять ребрами, диафрагмами и  другими элементами жесткости. Последнее обстоятельство, кроме экономии стали, обеспечивает снижение трудоемкости  изготовления и монтажа, а также способствует коррозионной  стойкости, так как снаружи гибкие стенки имеют гладкую  поверхность, на которой не скапливается пыль и грязь. Рациональность конструкции и гладкая поверхность стенок придают гибкому бункеру приятный внешний вид. При изготовлении и монтаже стенок гибкого бункера может применяться автоматическая и полуавтоматическая сварка. Монтировать бункер можно крупными блоками после укрупнительной сборки. Все это сокращает сроки возведения и  повышает качество работ.

Положительным является и возможность назначения  большого пролета бункера (до 18 м включительно) без  промежуточных опор. Основные недостатки гибких бункеров — большая деформативность стенок и наличие определенного, подчас значительного, объема неразгружаемых пространств.

Деформативность стенок бункера обусловливается их большой гибкостью и податливостью. Каждому виду загружения при загрузке и разгрузке бункера соответствует своя форма очертания стенок, т.е. гибкие стенки в поперечном сечении бункера постоянно перемещаются при эксплуатации, что  создает неудобства при конструировании разгрузочных устройств и других конструкций, подвешенных к бункеру.

Образование неразгружаемых пространств связано в  основном с неизбежностью некоторого разрыва между разгрузочными отверстиями в продольном направлении бункера и отдельностоящими разгрузочными воронками. Но неразгружаемые  пространства играют и положительную роль в работе гибкого  бункера. Сыпучий материал, остающийся в них, служит естественной футеровкой и предохраняет стенки от истирания, а также  стабилизирует положение и уменьшает амплитуду перемещений гибких стенок во время загрузки и разгрузки бункера.  Поэтому при правильном конструировании влияние указанных недостатков можно свести к минимуму или даже извлечь из них пользу.

Последние разработки позволили получить конструкцию разгрузочных воронок, обеспечивающую полную разгрузку  гибкого бункера. Но это связано с некоторым увеличением расхода стали, а также высоты разгрузочных воронок.

Глава I

КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБЫ РАСЧЕТА

1. Краткий исторический обзор

Конструкцию гибкого бункера предложил американский инженер Самуэль Берквист в 1899 г. [107]. В том же году по проекту изобретателя построили первый гибкий бункер для угля (рис. 1).

Пролет бункера около 6,1 м, длина—25,5 м, шаг колонн— 4,41 м. Конструкции и соединения элементов клепаные.  Стенки бункера толщиной 6,35 мм очерчены по окружности  внизу и прямолинейны на боковых участках. Стенки подвешены к вертикальным бункерным балкам. Распор гибких стенок наверху воспринимается продольными балками из прокатного двутавра, уложенными плашмя под бункерными балками, а также распорками, установленными через 2,2 м, которые  являются одновременно балками перекрытий. С торцов бункер закрыт плоским стальным листом,  усиленным горизонтальными балками из двутавра, которые  установлены внутри бункера и жестко прикреплены к гибким стенкам.

Бункер разгружается в центральной части через течки  крупного сечения. От износа и коррозии стенки первых бункеров изнутри  защищали цементной штукатуркой или армированным бетоном (рис. 1,6) [111]. Для первых бункеров была характерна малая высота по сравнению с пролетом. Опыт эксплуатации показал, что разгрузка таких  бункеров затруднена, т.е. они имеют большой объем неразгружаемых пространств. Тем не менее благодаря своей  экономичности, простоте изготовления и монтажа, а также надежности  гибкие бункера получили широкое распространение в Америке и Канаде, а затем и в отечественной практике [28,24,29].

Первые отечественные бункера были построены в начале 30-х годов. На рис. 2 представлен один из них, построенный для огарков и колчедана на Кемеровском химкомбинате [26]. Он имеет небольшую длину—19 м и объем 163 м.  Отличительной особенностью его является футеровка из  кислотоупорного кирпича толщиной 120 мм, предохраняющая гибкие стенки из сплошного листа толщиной 8 мм от химической  агрессивности сыпучего материала.

В первый период строительства гибких бункеров  соединения листов стенок между собой и с бункерными балками как в американской, так и в отечественной практике выполняли на заклепках внахлестку или с помощью накладок. Такие  соединения применены в рассмотренных выше бункерах. По мере развития сварочного производства клепка  постепенно вытеснялась сваркой. Стыки листов угольных бункеров из унифицированных ячеек (рис. 3), нашедших широкое  распространение начиная с 40-х годов в Донбассе и Подмосковье, выполняли на сварке внахлестку [70].

Несущая способность стенок даже минимальной толщины (6мм) использовалась на 30-50%, поэтому соединение  листов внахлестку на сварке не создавало опасности разрушения. В развитии конструкций гибких бункеров с самого начала определилось два направления. Первое—бункера со  сплошными стенками, которые рассмотрены выше, второе со стенками из отдельных подвесок в виде стальных полос или круглых стержней. Второе направление вызвано тем, что прочность  сплошных стенок, минимальная толщина которых ограничивалась конструктивными соображениями, часто использовалась  неполностью из-за небольшого значения fp.

Первый гибкий бункер на подвесках построили в Америке в 1901 г. (рис. 4). Подвески, выполненные из полосовой стали непрерывными по периметру очертания стенок,  прикреплены к бункерным балкам, установленным наклонно по  касательной к очертанию стенок. По подвескам уложен настил из стального профилированного листа. Настил с обеих сторон покрыт бетоном (рис. 4,а). Пирамидальные разгрузочные  воронки прикреплены к подвескам на заклепках. Подвески  непрерывны по периметру гибких стенок [111]. Для первых отечественных бункеров на подвесках  характерно широкое использование железобетона и дерева. Это было обусловлено необходимостью строгой экономии стали. Один из первых отечественных бункеров на подвесках,  эксплуатирующийся до настоящего времени, построен на Среднеуральском медеплавильном заводе в 1936 г. по проекту  Уральского отделения института Промстройпроект [30]. Каркас здания и бункерные балки выполнены из монолитного  железобетона (рис. 5).

В деревянных хранилищах для цемента подвески круглого сечения располагали попарно через 1 м и подвешивали к  поперечным прогонам на болтах, для чего концы подвесок  снабжались резьбой. Подвески непрерывны по периметру очертания стенок. По подвескам укладывали деревянный настил,  покрытый оцинкованной сталью. Расход стали в этих бункерах сведен до минимума. Бункера разгружались в центральной части через отверстия, предусмотренные в настиле между подвесками. Такие бункера устанавливали и на саморазгружающихся баржах (рис. 7) [15]. Это еще раз говорит о больших  возможностях гибких бункеров и о том, что они могут найти самое разнообразное применение. Однако деревянные бункера неиндустриальны и недолговечны, поэтому в дальнейшем дерево заменили сборным железобетоном [15]. Применение  железобетонного настила в гибких бункерах позволило увеличить шаг подвесок до 2 м (рис. 8). Достоинством подобных  бункеров является их высокая индустриальность. Поэтому они с небольшими изменениями находят применение и в настоящее время [52]. Подвески из полосовой стали прикрепляют, как правило, к поперечным прогонам из спаренных швеллеров. Внизу к подвескам прикрепляют разгрузочные воронки. При эксплуатации первых бункеров было замечено, что стенки их перемещаются по мере загрузки и разгрузки, а также при внецентренном относительно вертикальной оси бункера загружении. Это явление, естественное для гибких стенок, могло нарушить нормальную эксплуатацию разгрузочных  устройств (питателей, затворов и др.), жестко соединенных с днищем бункера и с нижележащим перекрытием. В связи с этим в некоторых случаях пытались исключить перемещения стенок путем устройства жестких поперечных диафрагм,  расположенных снаружи или внутри бункера.

Одно из первых сообщений по данному вопросу появилось в американской печати [109]. В одном из бункеров для руды сплошные стенки в поперечном направлении усилили ребрами из швеллера, установленными снаружи и очерченными по  проектной кривой стенок, которая, однако, не соответствовала  действительной цепной линии. При первом же загружении бункера ребра полностью разрушились, а стенки продолжали  работать, но уже как гибкие. Учитывая это, автор сообщения пришел к выводу, что подобным приемом не следует препятствовать свободному изменению формы очертания стенок гибкого  бункера.

В отечественной практике были предприняты попытки  избежать перемещений гибких стенок путем устройства диафрагм. Например, в бункере для угля (рис. 9) сплошные стенки  толщиной 7 мм были подкреплены решетчатой диафрагмой в плоскости колонн, идущих с шагом 6 м, и посередине между ними [26]. По внутреннему периметру стенок установлены сдвоенные уголки, выполняющие роль одного из поясов ферм диафрагмы. Такие диафрагмы оказались достаточно  надежными и бункер эксплуатировался нормально. Надо подчеркнуть, что при правильном выборе очертания стенок поперечные диафрагмы при полном загружении  бункера практически не работают, а работают только при  частичном загружении [26].

Позднее диафрагмы стали устраивать внутри бункера в  виде плоских глухих стенок, жестко прикрепленных к гибким стенкам. Такие бункера начали строить с начала 50-х годов [70]. Бункера собирали из отдельных унифицированных  ячеек длиной 6 м и вместимостью 200 т и располагали в один (рис. 10) или два ряда (см. рис. 3). Для увеличения объема бункера к существующим ячейкам пристраивали новые без прекращения эксплуатации бункера. При этом торцевая  стенка существующей части превращалась в диафрагму. Подобные бункера строят и за рубежом. Например, в Чехословакии в 1968 г. построен бункер для руды [113]  пролетом 6 м, высотой 5,6 м. Толщина стенок 6 мм. Внутри бункера применены поперечные диафрагмы в виде плоских стенок, жестко соединенных с гибкими стенками. Диафрагмы  установлены в плоскостях колонн с шагом 6м. Устройство внутренних глухих диафрагм практически  исключает перемещения гибких стенок, но это достигается ценой С) значительного расхода стали. Такие диафрагмы дополнительно «А должны воспринимать горизонтальное давление сыпучего материала при заполнении каждой ячейки в отдельности. Расход стали на наружные решетчатые диафрагмы несколько меньше на глухие внутренние, но они более трудоемки в  изготовлении и монтаже.

Гибкие бункера с поперечными диафрагмами жесткости обеспечивают сравнительно небольшую экономию стали по сравнению с жесткими стальными бункерами, а именно в  пределах 20-30% [70,113].

Приведенный краткий обзор позволяет выделить основные элементы и дать классификацию конструктивных решений гибких бункеров. Гибкий бункер состоит из гибких несущих стенок,  бункерных балок, настила, футеровки, разгрузочных воронок и  торцовых стенок. У некоторых бункеров со стенками из отдельных  подвесок имеются поперечные прогоны, которые укладывают по бункерным балкам и к которым крепят подвески. Гибкие стенки выполняют трех типов: 1) из сплошного стального листа толщиной не менее 6 мм; 2) из полосовых или круглых стальных подвесок с устройством сплошного настила по ним; 3) из сплошного стального листа,  подкрепленного жесткими поперечными диафрагмами. В соответствии с этим признаком конструкции гибких бункеров можно  разделить на три типа: I тип—со сплошными гибкими стенками; П тип со стенками из отдельных подвесок; Ш тип—со  сплошными гибкими стенками, подкрепленными жесткими  поперечными диафрагмами.

Бункер последнего типа из-за сравнительно большой  металлоемкости, а также высокой трудоемкости изготовления и  монтажа в отечественной практике в настоящее время не  применяется.