趙書鋒 尉桂芬

開封大學土木建筑工程學院（475004）

地震作用下鋼筋混凝土筒倉動力特性及變形分析

趙書鋒 尉桂芬

開封大學土木建筑工程學院（475004）

這里運用大型通用有限元軟件ANSYS建立起大型鋼筋混凝土筒倉三維有限元模型，對其進行了動力特性分析和兩組天然波一組人工波的時程分析，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)前四階均為平動，第五階以后出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)在TAFT波作用下位移反應最為強烈，但是最大值仍然滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的整體剛度設計合適。為大型或超大型混凝土貯煤筒倉的結(jié)構(gòu)設計提供一些可參考、有價值的數(shù)據(jù)和建議，供技術(shù)人員參考。

筒倉；地震反應；動力特性；時程分析

0 引言

筒倉結(jié)構(gòu)被廣泛用于儲存煤、水泥、糧食、飼料等散料狀材料，在工業(yè)生產(chǎn)過程中對于緩沖原料與中間物料、協(xié)調(diào)生產(chǎn)、配送起到重要作用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴大,筒倉規(guī)模不斷擴大，尤其是煤筒倉正在向著更大、更高、更復雜的方向發(fā)展。目前運用于貯煤筒倉的整體分析的理論研究仍存在許多漏洞[1]，這里將運用大型有限元分析軟件ANSYS對開封發(fā)電廠一大型筒倉的動力特性和地震作用下的變形進行分析。

1 工程概況

開封市發(fā)電廠鋼筋混凝土筒倉直徑100 m，高18 m，壁厚0.7 m，進料口門5.5 m（寬）×6 m（高），環(huán)向均勻設置45根扶壁柱，其截面為0.8 m（長）×0.5 m（寬）的壁柱，頂部設置0.8 m（長）×0.5 m（寬）的環(huán)梁，基礎采用預應力管狀，其直徑為d=0.8 m，管樁間隔3度，分三排布置沿環(huán)向每隔3度設置有3排管樁，其直徑為d=0.8 m，共計360根。上、下部結(jié)構(gòu)通過6.6 m×2.1 m的承臺連成整體。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.2 g，場地類別為II類；倉壁C40鋼筋混凝土,采用HPB300級、HRB400級鋼筋。材料參數(shù)見表1。

表1 材料屬性及參數(shù)

圖1 有限元模型圖

1.1 單元選取

筒倉側(cè)壁采用8節(jié)點空間Solid65單元三維空間的不同方向分別設定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。壁柱和環(huán)梁采用BEAM188三維線性有限應變梁單元，預應力管樁采用管單Pipe16單元模擬。計算中考慮了管樁和土體之間的共同工作和整體效應，整個模型共有85 518個單元，94 690個節(jié)點，有限單元計算模型如圖1所示。

1.2 計算范圍和邊界條件

考慮樁土相互作用，計算過程中參照有關文獻[2]及工程實例計算深度取30 m（2倍樁長），外邊屆取筒倉外18 m，內(nèi)邊界取筒倉內(nèi)38 m，土體的外邊界和土體底部設置即X、Y、Z三個方向位移為0，位移為完全固定約束，而筒倉壁內(nèi)側(cè)土體邊界考慮由于受到貯煤豎向壓力的作用產(chǎn)生豎向位移，將土體內(nèi)邊界在水平面方向(XOY面)位移為0視為兩向約束。

1.3 筒倉所受到的壓力載荷[3]

散料頂面下h處的側(cè)壓力為:

表2 結(jié)構(gòu)前二十階振型固有頻率、周期值

散料頂面下z處的豎向壓力為:

式中，k為側(cè)壓力系數(shù)，γ為貯煤的重度，h為貯煤的頂端到煤堆底面的距離，根據(jù)計算，在此取k= 0.45，γ=13 kN/m3，h=17 m。

2 結(jié)構(gòu)動力特性

結(jié)構(gòu)動力特性計算主要計算了結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期以及各階陣型圖，其中表2給出了前十階頻率和周期，圖2為前六階振型圖。

圖2 前六階振型圖

選取有代表性EL-CNENTRO波、TAFT波和上海人工波對結(jié)構(gòu)進行時程分析，調(diào)整其峰值加速度符合7度設防要求[4，5]，地震作用下結(jié)構(gòu)頂點位移值見表3，最不利地震波TAFT波作用下位移最大時刻的結(jié)構(gòu)位移云圖如圖3所示。

表3 結(jié)構(gòu)最大位移響應

圖3 TAFT波作用下最大位移時刻結(jié)構(gòu)位移云圖

3 結(jié)論

從以上相關的圖表數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論:

1）從結(jié)構(gòu)的前幾階周期可以看出兩兩相近，結(jié)構(gòu)的固有頻率首先出現(xiàn)在剛度較弱的開洞方向，前四階以平動為主，第五階開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，筒倉頂部振動較為明顯，應對此處采取加強措施，適當加大環(huán)梁尺寸，由于建模沒有考慮倉蓋的約束，實際會有所改善。

2）在多、罕遇地震作用下，不同的波引起的位移反應不同，其中TAFT波位移反應最為強烈，但是最大位移小于規(guī)范要求的H/880,說明結(jié)構(gòu)的剛度和變形是滿足規(guī)范要求的。

3）在結(jié)構(gòu)開口處位移相對大，實際結(jié)構(gòu)中此處有環(huán)梁與頂蓋的作用,計算模型未予考慮，若考慮其約束作用位移效應會有所減小。

[1]滕錦光,趙陽.大型鋼筒倉的結(jié)構(gòu)行為與設計[J].土木工程學報,2001(4):46～52.

[2]馬超.筒倉結(jié)構(gòu)一地基相互作用動力計算[D].西安:長安大學,2008.

[3]GB 50077-2003,中華人民共和國國家標準,鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范[S].中國計劃出版社,2003.

[4]GB 50191-2012,中華人民共和國國家標準,構(gòu)筑物抗震設計規(guī)范[S].中國計劃出版社,2012.

[5]王錄民,等.鋼筋混凝土立筒群倉結(jié)構(gòu)抗震模型的設計與制作[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008,3(6):37～40.