中心錐體筒倉錐體預制板吊裝施工數值分析

徐 森，孫巍巍，張 威

(南京理工大學 理學院，江蘇 南京 210094)

鋼筋混凝土筒倉的建設與應用在我國早期主要參考蘇聯的相關規范，于1985年正式頒布實施了《鋼筋混凝土筒倉設計規劃》(GBJ 77—85)，在此基礎上修訂改編為GB 50077—2003[1]。隨著能源、建筑、農業等領域的蓬勃發展，鋼筋混凝土筒倉的結構和形式也出現了新的突破。經長期經驗總結，國內現行筒倉規范為《鋼筋混凝土筒倉設計標準》(GB 50077—2017)[2]。

目前，國內大直徑中心錐體筒倉內部錐體多采用整體現澆結構形式，針對預制裝配式中心錐體筒倉的研究成果相對較少，筆者借助ANSYS有限元軟件計算得到中心錐體預制板吊裝階段內力分布規律，并對計算結果進行分析及探討。

1 工程概況

(a)中心錐體剖面

(b)預制板示意

某中心錐體筒倉內徑為22.5 m，錐體預制板為24片加1片頂部蓋板，借助ANSYS有限元軟件模擬預制板吊裝施工過程，中心錐體及預制板如圖1所示。

預制板的吊裝過程可分以下兩步：①保持預制板處于平整狀態，然后依次連接預制板中3個吊點，并沿鉛垂方向緩慢起吊至合適高度；②固定預制板頂部吊點，使其繞底邊緩慢旋轉60°并保持，最終完成定位拼裝。

2 預制板有限元分析

2.1 有限元模型建立

ANSYS分析過程包括模型建立、邊界條件設定和結果分析[3]。單位取國際單位制(SI)，預制板ANSYS模型采用SHELL 181單元模擬，混凝土等級為C40，彈性模量Ec=3.25×1010N/m2，混凝土泊松比μc=0.2，混凝土密度ρc=2 500 kg/m3，預制板網格劃分時單元邊長取0.15 m，最終得到預制板有限元模型如圖2所示。

2.2 荷載與邊界條件

預制板吊裝分兩步，有限元計算時每一步邊界條件為：①頂部吊點約束UZ方向自由度，左側吊點約束UX，UY，UZ方向自由度，右側吊點約束UY，UZ方向自由度；②頂部吊點約束UZ方向自由度，預制板底部邊緣所有節點約束UX，UY，UZ方向自由度。

吊裝每一步荷載水平保持一致，分別為重力荷載與預制板頂部集中荷載，集中荷載主要為工人及定位安裝時設備自重，分析時取值為1 500 kN。

2.3 計算結果分析

吊裝每一步預制板內力絕對值最大值見表1。

表1 預制板內力結果

實際工程中，吊裝工況主要影響預制板豎向配筋，以下重點關注預制板豎向軸力與彎矩云圖，如圖3、圖4所示。

(a)吊裝第一步 (b)吊裝第二步

(a)豎向軸力云圖 (b)豎向彎矩云圖

(a)豎向軸力云圖 (b)豎向彎矩云圖

由圖3可知，預制板豎向軸拉力最大值發生在頂部吊點附近，為580.7 kN/m，最大軸壓力則位于預制板頂部吊點兩側變截面處，為-239.6 kN/m；豎向最大正彎矩位于頂部吊點附近，為277.7 kN·m/m；最大負彎矩則位于預制板中部區域，為-126.9 kN·m/m。

由圖4可知，預制板豎向軸拉力最大值發生在頂部吊點附近，為580.7 kN/m，最大軸壓力則位于預制板中部區域，為-279.9 kN/m；豎向最大正彎矩位于頂部吊點附近，為284.5 kN·m/m；最大負彎矩則位于預制板中部區域，為-357.4 kN·m/m。

3 結束語

借助ANSYS模擬施工工況后，可以得到預制板吊裝過程中典型控制截面包括：頂部吊點附近變截面處、預制板底部變截面處。同時需要考慮中間正常厚度處存在的較大負彎矩。從而為裝配式中心錐體結構設計提供理論和實踐依據。