地下糧倉結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學資源建設

咸慶軍， 陳俊旗， 崔偉華， 龐 瑞

(河南工業(yè)大學 土木建筑學院， 河南 鄭州 450001)

地下糧倉結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學資源建設

咸慶軍， 陳俊旗， 崔偉華， 龐 瑞

(河南工業(yè)大學 土木建筑學院， 河南 鄭州 450001)

在河南工業(yè)大學土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的建設中，重點對地下糧倉結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實驗教學資源進行了建設，包括地下糧倉建造過程仿真實驗、鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)受力性能數(shù)值仿真實驗和地下糧倉儲糧生態(tài)環(huán)境數(shù)值仿真實驗。3個虛擬仿真實驗相互聯(lián)系，從而為地下糧倉結(jié)構(gòu)的實驗教學提供良好的素材，為地下糧倉的推廣應用奠定基礎。

地下糧倉結(jié)構(gòu)； 虛擬仿真實驗； 受力性能； 綠色節(jié)能

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物。為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》，河南工業(yè)大學結(jié)合自身在土木建筑專業(yè)方面的辦學特色，開展了土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的建設工作[1-2]。

河南工業(yè)大學是我國糧食行業(yè)的特色高校，在建筑工程結(jié)構(gòu)，特別是在平房倉、樓房倉、淺圓倉、立筒倉、地下倉等儲倉結(jié)構(gòu)的教學、科研和推廣應用方面實力雄厚。由于鋼筋混凝土地下糧倉具有溫度低、對糧食及環(huán)境污染少、穩(wěn)定性好等特點，因而成為現(xiàn)階段綠色儲糧、節(jié)能減排的理想倉型，其建設及推廣應用正逐漸展開[3-4]。學校對地下糧倉結(jié)構(gòu)的教學——特別是實驗教學部分非常重視，在建設土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的過程中，對地下糧倉結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實驗教學資源進行了重點建設[5-6]。

土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的實驗資源分為基礎型、專業(yè)型和特色創(chuàng)新型，儲倉結(jié)構(gòu)虛擬仿真模塊是特色創(chuàng)新實驗資源的特色模塊，包括地下糧倉建造過程仿真實驗、鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)受力性能數(shù)值仿真實驗和地下糧倉儲糧生態(tài)環(huán)境數(shù)值仿真實驗等3個相互聯(lián)系的虛擬仿真實驗項目。通過這3個虛擬仿真實驗，學生能夠全面了解和掌握地下糧倉結(jié)構(gòu)的分析計算、設計建造、正常使用環(huán)節(jié)的要點，從而為地下糧倉在實際儲糧工程中的推廣應用奠定堅實基礎。

1 地下糧倉結(jié)構(gòu)的研究及應用

早期出現(xiàn)的地下糧倉包括矩形筒圍倉和半圓筒圍倉。地下矩形筒圍倉雖然倉容量大，可以實現(xiàn)大規(guī)模儲糧[7]，但是其受力不盡合理，在轉(zhuǎn)角處會產(chǎn)生較大彎矩；經(jīng)過優(yōu)化的半圓筒圍倉受力性能大為增強[8]。但是，這2種倉型都存在施工難度大的問題，因而沒有得到實際推廣應用。

在矩形筒圍倉和半圓筒圍倉的基礎上，產(chǎn)生了地下大直徑圓形筒倉。由于圓筒結(jié)構(gòu)受力合理，可以充分發(fā)揮材料性能，成為非常理想的地下糧倉形式。近年來，國內(nèi)學者對鋼筋混凝土地下圓形糧倉進行了諸多研究，包括倉頂結(jié)構(gòu)、倉壁結(jié)構(gòu)及倉底板結(jié)構(gòu)的受力性能分析[9-10]，以及對儲糧生態(tài)環(huán)境的研究等[11-12]。而國外由于糧食儲備需求較小，對鋼筋混凝土地下糧倉這種新的倉型研究較少。

2015年，在鄭州市中牟縣河南金地集團糧食物流園區(qū)內(nèi)建造了國內(nèi)首個地下模擬試驗倉，進一步研究和解決地下糧倉在設計、施工以及運營階段出現(xiàn)的問題，目前正處于推廣應用階段。

2 地下糧倉結(jié)構(gòu)的實驗教學

《糧倉建筑基本理論與設計》是國家“十二五”重點圖書出版規(guī)劃項目《糧油儲藏與加工創(chuàng)新技術叢書》中的一本特色專業(yè)教材，其主要內(nèi)容包括糧食筒倉的儲糧壓力分析、根據(jù)筒倉建筑結(jié)構(gòu)材料分類的砌體筒倉結(jié)構(gòu)設計、鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)設計以及鋼板筒倉結(jié)構(gòu)設計[13]。在該教材“鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)設計”一章中，主要針對地上筒倉結(jié)構(gòu)進行了介紹與分析，沒有關于地下糧倉結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，但是對地下糧倉結(jié)構(gòu)的設計有一定的借鑒與指導作用。

在實驗教學方面，由于鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)體量較大、構(gòu)造復雜，而且還受到地下水土壓力的作用，無法在實驗室開展相關實驗。金地集團建造的地下模擬試驗倉雖然可以進行實驗教學，但由于施工周期長、環(huán)境復雜、危險性大，只能進行參觀式教學，實際教學效果不盡如人意。而通過虛擬仿真實驗，學生在掌握理論知識的基礎上，能夠在較短的時間內(nèi)全面了解和掌握實踐知識，大大提高學習效率。

3 地下糧倉結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學資源建設

3.1 地下糧倉建造過程仿真

本實驗根據(jù)不同鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)的圖紙資料，結(jié)合現(xiàn)場施工特點確定施工方法，并對不同施工方法進行動畫模擬，有助于學生理解和掌握地下糧倉的建造過程。常用的施工方法包括放坡明挖法、護筒支護明挖法、錨樁支護明挖法和土釘支護明挖法[14-16]。

放坡明挖法適用于場地比較開闊、地基土質(zhì)較好、開挖深度不足8 m的基坑工程?；硬捎每v向分段、橫向分塊、豎向分層，先對稱放坡開挖兩側(cè)，再開挖中間預留土體，最后開挖至基底，采用臺階式整體推進開挖。在基坑開挖過程中，根據(jù)地質(zhì)情況及開挖深度選取合理的放坡坡度，由下至上逐層變緩，使開挖后的土體達到新的平衡狀態(tài)，從而維護基坑的穩(wěn)定狀況，同時無需設置橫向支撐，以減少工程造價。如圖1(a)所示，當基坑開挖至基底后，先施工錐形倉底板，接著施工上部圓筒倉壁及倉頂蓋，最后回填土至倉頂蓋以上即施工完畢。

圖1 鋼筋混凝土地下糧倉施工方法仿真

護筒支護明挖法適用于場地不大、土質(zhì)較好的基坑工程。由地下糧倉外徑確定開挖圓形區(qū)域后，首先根據(jù)土質(zhì)情況開挖一定深度，在坑壁周圍澆筑混凝土圓形護筒，然后繼續(xù)開挖一定深度土體并澆筑混凝土護筒，就這樣沿深度方向從上向下逐層開挖并澆筑護筒，直至達到基底設計標高。如圖1(b)所示，在挖好的基坑內(nèi)，從下向上建造地下糧倉結(jié)構(gòu)，最后在護筒與糧倉結(jié)構(gòu)之間回填土至倉頂蓋以上即可。

錨樁支護明挖法適用于深度較大、土質(zhì)較差、周圍施工環(huán)境復雜的基坑工程。如圖1(c)所示，首先在施工區(qū)域放坡開挖一定深度，然后采用專業(yè)機械在基坑周圍逐次施工鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，同時在相鄰兩根灌注樁之間施工高壓旋噴樁以提高防滲止水能力，并在樁頂設置鋼筋混凝土冠梁。隨著開挖過程的進行，在一定設計深度處鉆孔灌注樁之間設置腰梁，然后采用傳統(tǒng)錨桿或預應力錨桿錨固到周圍穩(wěn)定地層中，接著向下一直開挖至基底設計標高，最后在基坑內(nèi)建造地下糧倉結(jié)構(gòu)并進行回填。

土釘支護明挖法適用于地下水位以上或經(jīng)過排降水措施后的雜填土、普通黏性土、非松散沙土邊坡及深基坑工程。如圖1(d)所示，首先按照設計要求對基坑采用分層機械開挖并輔以人工修整坡面，然后在坡面上進行鉆孔、清孔、置筋及注漿等土釘施工過程，接著綁扎鋼筋網(wǎng)并與土釘牢固連接，最后噴射混凝土面層達到設計厚度要求。土釘支護結(jié)構(gòu)是沿基坑深度方向從上向下分層施工的，首先開挖一定深度土層，并在本層上設置土釘，待噴射混凝土達到一定強度后，再開挖下一層土體，重復進行這些工序直至施工到基底為止，最后在形成的基坑內(nèi)建造地下糧倉結(jié)構(gòu)并進行回填即可。

3.2 鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)受力性能數(shù)值仿真

本實驗利用有限元分析程序ABAQUS模擬鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的響應，采用實體單元模型分析結(jié)構(gòu)的變形及應力分布特征，全面掌握地下糧倉結(jié)構(gòu)的受力性能(見圖 2)。

圖2 鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)三維實體模型仿真

選取的鋼筋混凝土地下糧倉是河南金地集團建造的地下模擬試驗倉，地下糧倉外徑25.70 m，倉頂蓋為梁板結(jié)構(gòu)，板厚160 mm，上部圓筒倉壁厚度250 mm，下部圓筒倉壁厚度350 mm，錐形倉底板厚度500 mm，倉體總深度20.06 m。倉頂恒荷載和活荷載考慮上覆土及進出糧設備的作用，倉壁及倉底板的側(cè)向荷載考慮地下水和土的側(cè)壓力。

由于實際糧倉的形式和構(gòu)造較為復雜，在建立幾何模型時進行了適當簡化?；炷吝x取三維8節(jié)點線性減縮積分單元C3D8R，根據(jù)地下糧倉實際的受力和變形特點施加荷載并確定約束形式，從而建立起糧倉結(jié)構(gòu)的三維有限元實體模型(見圖2(a))。

為了增強地下糧倉結(jié)構(gòu)在加載過程中靜力響應變化的直觀性，其變形及應力分布變化情況采用動畫顯示，如圖2(b)—(d)所示，圖中僅表示最大荷載作用下的受力狀態(tài)。由圖2分析可知地下糧倉結(jié)構(gòu)整體變形和應力分布特點、最大變形和應力數(shù)值及出現(xiàn)部位，進而判斷糧倉剛度及強度是否滿足規(guī)范要求、混凝土是否會出現(xiàn)裂縫、哪個部位是薄弱環(huán)節(jié)及如何處理等，從而達到全面掌握地下糧倉結(jié)構(gòu)受力性能的目的。

3.3 地下糧倉儲糧生態(tài)環(huán)境數(shù)值仿真實驗

本實驗采用CFD數(shù)值模擬方法建立鋼筋混凝土地下糧倉的物理模型，模擬不同條件下的儲糧生態(tài)環(huán)境[11]，為地下糧倉的安全儲糧提供依據(jù)。

選取的鋼筋混凝土地下糧倉外徑25.70 m，倉頂蓋為梁板結(jié)構(gòu)，板厚250 mm，圓筒倉壁厚度350 mm，錐形倉底板厚度800 mm，糧倉結(jié)構(gòu)總高度20.25 m，總深度24.25 m。地下糧倉中央設有鋼筋混凝土管道，外徑1.25 m，壁厚250 mm，用作機械通風和進出糧通道。

根據(jù)已知的物理條件，所建立的地下糧倉三維物理模型如圖3(a)所示。首先，模擬機械通風情況下地下糧倉內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律(見圖3(b))；然后，模擬準靜態(tài)情況下地下糧倉內(nèi)部溫度場的變化(見圖3(c))；最后，利用地下糧倉的實測溫度來驗證數(shù)值模型的可靠性，并分析地下糧倉圍護結(jié)構(gòu)傳熱的參數(shù)敏感性，進而對相關熱工參數(shù)進行優(yōu)化設計。

圖3 鋼筋混凝土地下糧倉儲糧生態(tài)環(huán)境仿真

4 結(jié)語

通過地下糧倉結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學資源建設和教學實踐，充分體現(xiàn)出虛擬仿真實驗教學是真實實驗教學和現(xiàn)場實踐教學的有效補充，能夠切實提高教學質(zhì)量和教學效果，對鋼筋混凝土地下糧倉結(jié)構(gòu)在實際儲糧工程中的推廣應用能起到良好的促進作用。

References)

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Construction of virtual simulation experimental teaching resources for underground granary structure

Xian Qingjun, Chen Junqi, Cui Weihua, Pang Rui

(School of Civil Engineering and Architecture, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

In the construction of the virtual simulation experimental teaching demonstration center for the civil engineering and architecture in Henan University of Technology, the focus is placed on the construction of the virtual simulation experimental teaching resources for the underground granary structure, which includes the simulation experiment of the underground granary construction process, the numerical simulation experiment on the mechanical performance of the reinforced concrete underground storage structure and the numerical simulation experiment of ecological environment for grain storage in the underground granary. Three virtual simulation experiments are interconnected so as to provide the good materials for the experimental teaching of the underground granary structure, and to lay the foundation for the promotion and application of the underground granary.

underground granary structure; virtual simulation experiment; mechanical behavior; green energy saving

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.032

TU93；TP391.9

A

1002-4956(2017)11-0133-04

2017-04-10

河南省高等學校重點科研項目(16A560018)；河南工業(yè)大學高層次人才基金項目(2014BS004)；河南工業(yè)大學高等教育研究資助項目(2016GJYJTJ02,2014GJYJ-A20)

咸慶軍(1982—)，男，河南周口，博士，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的教學與研究.