溫浩源 安旭文 楊 力 陸益錳

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

大型預(yù)應(yīng)力混凝土筒倉(cāng)日照溫差作用研究

溫浩源 安旭文 楊 力 陸益錳

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為探究一種較為完善合理的大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)日照溫差作用計(jì)算方法，對(duì)大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉(cāng)進(jìn)行了日照溫差分布模擬和有限元計(jì)算分析,研究結(jié)果表明：日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在環(huán)向主要承受環(huán)向壓力，環(huán)向壓力呈筒倉(cāng)頂層和底層兩頭大、中間小的規(guī)律分布；在0°<θ<180°區(qū)域內(nèi)，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

預(yù)應(yīng)力混凝土,貯煤筒倉(cāng),日照溫差,溫度應(yīng)力

0 引言

在大型鋼筋混凝土貯煤筒倉(cāng)甚至巨倉(cāng)設(shè)計(jì)中，如何考慮日照溫差作用引起的內(nèi)力常常成為結(jié)構(gòu)難題。目前，對(duì)于日照溫差在大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)中所引起的溫度應(yīng)力鮮有研究，在設(shè)計(jì)大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)時(shí)如何合理地考慮日照溫差作用并沒有得到很好地解決。我國(guó)現(xiàn)行GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[5](以下簡(jiǎn)稱“筒規(guī)”)規(guī)定，無實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度作用按永久荷載計(jì)算，直徑21 m～30 m的筒倉(cāng)在溫度作用下引起的環(huán)向拉力可按其在儲(chǔ)料荷載作用下的最大環(huán)拉力的6%計(jì)算，直徑大于30 m的筒倉(cāng)可按8%計(jì)算。隨著筒倉(cāng)直徑的增大及各種新的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，大直徑鋼筋混凝土貯煤筒倉(cāng)的溫度應(yīng)力問題變得尤為復(fù)雜[6]，“筒規(guī)”所提出的考慮筒倉(cāng)溫度作用的方法以及所設(shè)置溫度應(yīng)力的條件，對(duì)于大型或者超大型筒倉(cāng)是否適用，需要進(jìn)一步研究。因此，對(duì)大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的內(nèi)力分布規(guī)律進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義。本文將對(duì)日照溫差作用下的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算和分析，研究日照溫差作用下大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，探究合適的日照溫差作用有限元計(jì)算方法。

1 筒倉(cāng)倉(cāng)壁的環(huán)境溫度作用

1.1 筒倉(cāng)倉(cāng)壁的環(huán)境溫度分類

處于氣候和環(huán)境比較惡劣礦區(qū)中的鋼筋混凝土貯煤筒倉(cāng)，由于長(zhǎng)期受到太陽輻射以及外界溫度變化的影響，使得筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各處溫度都處于不斷變化之中[8]。筒倉(cāng)是暴露在大氣中的構(gòu)筑物，其環(huán)境溫度作用主要有倉(cāng)壁內(nèi)外溫差、中面季節(jié)溫差和日照溫差。

暴露于大氣中的大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)，筒倉(cāng)的陽面和陰面會(huì)承受一定的日照溫差，日照溫差主要是由于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)各部位所受太陽輻射強(qiáng)度不同引起的溫度差值。日照和氣溫在圓形筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的溫度場(chǎng)，實(shí)際上是隨時(shí)間而變化的。因此，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)所受的最大日照溫差實(shí)際上是筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)某一特定時(shí)刻的溫度分布狀態(tài)。鑒于此，本文對(duì)倉(cāng)壁在日照溫差作用下的受力性能進(jìn)行研究和探討。

1.2 筒倉(cāng)倉(cāng)壁的日照溫差計(jì)算

在太陽輻射作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的溫度分布是極不均勻的，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力計(jì)算的難點(diǎn)之一就是如何合理模擬日照溫度場(chǎng)，確定筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照作用下的溫度作用大小和環(huán)向溫差分布規(guī)律。工業(yè)循環(huán)水冷卻塔與混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)相似，同屬筒式特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為此，參照GB/T 50102—2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范[9]對(duì)冷卻塔的筒壁在夏季日照下的溫度應(yīng)力計(jì)算方法，研究筒倉(cāng)倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的受力狀況，日照作用下筒倉(cāng)倉(cāng)壁的溫差可近似按筒高為恒值，日照溫差的計(jì)算公式見式(1)。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)日照溫差的環(huán)向分布示意圖如圖1所示。

(1)

其中，tb(θ)為任意計(jì)算點(diǎn)的倉(cāng)壁溫差,℃；θ為計(jì)算點(diǎn)的極坐標(biāo)；tb(0)為太陽垂直照射面θ=0°處的倉(cāng)壁溫差，可按10 ℃～15 ℃計(jì)算，本次分析取tb(0)=15 ℃。

2 大型預(yù)應(yīng)力混凝土筒倉(cāng)溫差作用計(jì)算分析

2.1 筒倉(cāng)工程概況

某5萬t大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉(cāng)地上主體結(jié)構(gòu)分為筒壁、環(huán)形錐、倉(cāng)壁、斗壁、中心柱和倉(cāng)頂蓋六大部分。筒倉(cāng)下支承選用筒壁與內(nèi)柱共同支承的結(jié)構(gòu)形式，筒倉(cāng)底部設(shè)有環(huán)形斗壁出料口，倉(cāng)壁和漏斗壁結(jié)構(gòu)部位采用無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。筒倉(cāng)外直徑為45 m，主體結(jié)構(gòu)高50 m，倉(cāng)壁厚0.55 m，筒壁厚0.6 m，漏斗壁厚0.6 m。筒倉(cāng)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土彈性模量Ec=3.25×104N/mm2，泊松比為υ=0.167，混凝土的線膨脹系數(shù)αc=1.0×10-5/℃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·K)。貯煤內(nèi)摩擦角φ=40°，貯煤容重γ=10 kN/m3。

2.2 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)日照溫差作用有限元計(jì)算與分析

2.2.1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)日照溫差作用有限元計(jì)算

鑒于目前“筒規(guī)”對(duì)筒倉(cāng)溫度作用的考慮是以貯料荷載作用下倉(cāng)壁最大環(huán)向力的8%作為計(jì)算依據(jù)，本文進(jìn)行筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照作用下的有限元分析時(shí)，先采用有限元軟件ANSYS對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，然后與儲(chǔ)料荷載作用下的最大應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行比較分析。

采用大型有限元軟件ANSYS計(jì)算筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差作用和貯煤荷載作用下的應(yīng)力時(shí)，采用三維塊體單元(Solid185)模擬筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)實(shí)體，溫度可作為單元體力作用在單元節(jié)點(diǎn)上，貯料壓力可作為面力加載在單元面上，正壓力指向單元內(nèi)部，計(jì)算結(jié)果可真實(shí)地反映筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。本文重點(diǎn)研究筒倉(cāng)上部結(jié)構(gòu)，不考慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，即筒倉(cāng)底部按固定約束處理。筒倉(cāng)有限元實(shí)體模型如圖2，圖3所示。由此求得在日照溫差作用下筒倉(cāng)環(huán)向應(yīng)力分布如圖4所示。貯煤荷載作用下筒倉(cāng)環(huán)向應(yīng)力如圖5所示(貯煤側(cè)壓力按照“筒規(guī)”介紹的方法計(jì)算)。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差和貯煤荷載作用下的應(yīng)力極值見表1。

表1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差和貯煤荷載作用下的應(yīng)力極值 N/mm2

由圖4可知，筒倉(cāng)倉(cāng)壁在日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面的受力狀況具有顯著差異。倉(cāng)壁外表面受日光照射的區(qū)域承受拉應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力值為3.1 N/mm2；倉(cāng)壁外表面其他未受日光照射的區(qū)域大部分承受壓應(yīng)力，相應(yīng)的最大環(huán)向壓應(yīng)力值為6.8 N/mm2，位于筒壁結(jié)構(gòu)根部。倉(cāng)壁內(nèi)表面承受拉應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力區(qū)域位于倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)上部和斗壁根部(即斗壁與倉(cāng)壁下環(huán)梁連接部位)，最大環(huán)向拉應(yīng)力值為3.1 N/mm2。

由筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)分別在日照溫差作用和貯煤荷載作用下的計(jì)算結(jié)果可知，日照溫差在筒倉(cāng)倉(cāng)壁中引起的最大拉應(yīng)力是貯煤散料荷載在倉(cāng)壁中引起的最大拉應(yīng)力的69%，日照溫差在筒倉(cāng)筒壁中引起的最大拉應(yīng)力是貯煤散料荷載作用下最大拉應(yīng)力的75%。均遠(yuǎn)大于“筒規(guī)”8%的計(jì)算規(guī)定。由此可見，日照溫差對(duì)大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響較大，是筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)中不可忽視的重要工況之一，“筒規(guī)”中對(duì)筒倉(cāng)溫度作用的計(jì)算方法對(duì)于大型整體式混凝土筒倉(cāng)而言并不合理。

2.2.2 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的內(nèi)力結(jié)果分析

由于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)不同部位的日照溫差與偏離太陽垂直照射面的角度有關(guān)，并且筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)日照溫差分布具有對(duì)稱性，因此可沿著筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)環(huán)向選取0°，90°，180° 3個(gè)不同方位的計(jì)算截面，通過單位高度的倉(cāng)壁截面應(yīng)力積分來提取筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算截面內(nèi)力包括環(huán)向軸力N1、環(huán)向彎矩M1和豎向軸力N2、豎向彎矩M2。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)沿環(huán)向計(jì)算截面位置示意圖見圖6。日照溫差作用下筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)不同方位角計(jì)算截面的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩、豎向軸力、豎向彎矩沿筒倉(cāng)高度變化規(guī)律如圖7～圖10所示。

結(jié)合圖7～圖10分析可知：

1)日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)不同方位角計(jì)算截面內(nèi)力沿筒倉(cāng)高度變化規(guī)律大致相同。在0°<θ<180°之間的區(qū)域，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

2)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在日照作用下的內(nèi)力很大，最大環(huán)向壓力達(dá)到1 738.9 kN，位于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)49.850 m高度處；最大環(huán)向彎矩達(dá)590.9 kN·m，位于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)14.830 m高度處；最大豎向軸力達(dá)1 373.8 kN，位于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)49.850 m高度處；最大豎向彎矩達(dá)706.9 kN·m，位于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)16.160 m高度處。由此可見日照溫差對(duì)大型混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)影響顯著，在大型混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視日照溫差作用對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響。

3)結(jié)合圖7分析可知：日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)環(huán)向主要承受環(huán)向壓力，環(huán)向壓力的規(guī)律分布是在筒倉(cāng)頂層和底層兩頭大、中間小。筒倉(cāng)溫度作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力包括溫度自應(yīng)力和溫度變化產(chǎn)生的次應(yīng)力。無論是靜定結(jié)構(gòu)還是非靜定結(jié)構(gòu)，只要溫度分布均勻，都不會(huì)產(chǎn)生溫度自應(yīng)力。在靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土截面上只有相鄰微元變形不一致導(dǎo)致的相互約束，所以非線性的溫度變化會(huì)在靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度自應(yīng)力；而筒倉(cāng)屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的變形會(huì)因?yàn)槎嘤嗉s束的影響而產(chǎn)生溫度次應(yīng)力。

3 結(jié)語

通過對(duì)大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉(cāng)進(jìn)行日照溫差作用有限元計(jì)算分析，可以得出以下主要結(jié)論：

1)在日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面受力狀況具有顯著差異性。

日照溫差對(duì)大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響較大，“筒規(guī)”對(duì)筒倉(cāng)溫度作用的計(jì)算方法并不適用于大型整體式混凝土筒倉(cāng)。對(duì)于溫差變化較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型或巨型整體式混凝土筒倉(cāng)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體溫度條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用有限元方法建立實(shí)體模型進(jìn)行受力分析，然后再進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和抗裂驗(yàn)算。

2)日照溫差作用下，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)不同方位角計(jì)算截面內(nèi)力沿筒倉(cāng)高度變化規(guī)律大致相同。

在0°<θ<180°之間的區(qū)域，對(duì)于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

3)采用有限元法計(jì)算日照溫差作用引起的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，在計(jì)算精度上可以得到很好保證，結(jié)構(gòu)內(nèi)力可以通過劃分計(jì)算截面并采用截面應(yīng)力積分得到，此方法非常方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

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[6] GB 50322—2011,糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[9] GB/T 50102—2003,工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The research of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo

Wen Haoyuan An Xuwen Yang Li Lu Yimeng

(SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

In order to find a reasonable calculation method of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo, this paper proceeds the distributed simulation and finite element analysis of the coal silo. This research results show that, with the effect of sunlight temperature difference, the silo structure is mainly under the circular pressure which distribute in both top and bottom of a silo with two big ends and a small middle. In the area of 0°<θ<180°, the internal force from the same height and same type of a silo changes with the declining rule from sunlight side to the shady parts.

prestressed concrete, coal silo, sunlight temperature difference, temperature stress

2015-02-26

溫浩源(1988- )，男，在讀碩士； 安旭文(1970- )，男，副教授； 楊 力(1988- )，男，在讀碩士； 陸益錳(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)13-0038-04

TU378.7

A