大直徑筒倉雙層頂蓋空間力學(xué)性能分析

胡亞民，師先銀，劉小培，張曉麗

（鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著我國糧食倉儲建設(shè)進入高質(zhì)量發(fā)展新階段，建設(shè)現(xiàn)代化的高標準糧倉成為新的要求，通過全面采用機械化、信息化、節(jié)能、高效及環(huán)保的倉儲設(shè)施，推動行業(yè)進步，積極發(fā)展綠色、安全的儲糧技術(shù)，實現(xiàn)糧倉規(guī)范化、專業(yè)化、精細化、生態(tài)儲糧的“四化”建設(shè)、安全管理、安全儲糧[1]。

大直徑筒倉直徑通常為25～30 m，由于跨度大，倉頂多采用單錐頂結(jié)構(gòu)形式以減少材料投資，施工方法通常為高空支模方式，形成單層的圓錐薄殼結(jié)構(gòu)，倉頂設(shè)備均采用露天設(shè)置，且倉頂預(yù)留預(yù)埋孔洞較多，容易產(chǎn)生漏雨、漏氣等現(xiàn)象，隔熱效果差，倉內(nèi)溫度高，外部設(shè)備銹蝕嚴重[2-4]。為滿足糧倉儲糧需求，增加糧倉設(shè)施的耐候性能，通過采用全現(xiàn)澆混凝土雙層頂結(jié)構(gòu)形式，倉頂蓋板為上頂板梁板結(jié)構(gòu)，下底板板圓錐形無肋薄殼，形成空間結(jié)構(gòu)，中間空腔部分，其保溫、隔熱、防雨性能較同類型倉庫有較大改善，鋼筋混凝土倉頂蓋整體抗震性能好，實現(xiàn)了綠色環(huán)保儲糧的目標[5-7]。新型倉頂蓋結(jié)構(gòu)形式與單層元錐頂薄殼結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的手工計算難以分析空間體系構(gòu)件的內(nèi)力情況，針對該雙層頂蓋，本文利用大型通用有限元ABAQUS 對其力學(xué)性能進行綜合分析評估。

1 計算模型

1.1 工程概況

本研究以某糧食儲備庫大直徑筒倉項目為實例，采用有限元ABAQUS 進行空間分析，結(jié)合施工、使用不同工況分析，通過多計算手段復(fù)核，保證結(jié)構(gòu)的安全性。大直徑筒倉設(shè)計基本信息為筒倉內(nèi)徑29.0 m，散糧平均裝糧高度40.5 m，倉壁壁厚320 mm，混凝土強度為C35，采用HRB400 鋼筋。儲料按小麥考慮，單倉倉容20 000 t。整體采用平底架空結(jié)構(gòu)形式，倉頂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙層蓋結(jié)構(gòu)形式，其中，上頂板為梁板結(jié)構(gòu)，下底板為圓錐形無肋薄殼，錐頂厚180 mm，形成整體空間結(jié)構(gòu)。原筒倉結(jié)構(gòu)基本設(shè)計信息如下。抗震設(shè)防類別：丙類；抗震設(shè)防烈度：7 度；基本地震加速度：0.1g；設(shè)計地震分組：第一組；抗震等級：二級；特征周期：0.45 s；場地類別：Ⅱ類。雙層頂蓋如圖1 所示。

圖1 雙層頂蓋剖面圖

1.2 有限元模型

采用ABAQUS 通用有限元軟件對原設(shè)計進行整體建模數(shù)值分析。倉壁及錐頂均采用S4R 殼單元，錐頂上環(huán)梁、下環(huán)梁、其他梁柱構(gòu)件等均采用B31 梁單元[8]，有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型圖

1.3 荷載及工況

綜合考慮雙層頂蓋在正常使用階段及施工階段兩個工況，對雙層頂蓋在施工采用分級加荷和正常使用階段兩種工況下的受力性能進行了有限元數(shù)值仿真分析，確定上層頂蓋對下層錐頂?shù)氖┕び绊懀约罢w形成后雙層頂蓋在正常使用階段的受力性能。①施工階段。考慮上層頂蓋分步施工，底層錐頂達到設(shè)計強度，二層均布施工面荷載為15 kPa。②正常使用情況下。設(shè)計荷載考慮倉頂自重、操作荷載、糧倉測溫電纜吊掛等荷載，活載取5 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 施工階段應(yīng)力分析

2.1.1 底層錐頂應(yīng)力分析

底層錐頂在徑向和環(huán)向內(nèi)力作用下的應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 混凝土應(yīng)力圖

（1）徑向方向。下環(huán)梁與錐板交接處板受負彎矩，即板底受壓、板面受拉，此處應(yīng)力為4.88 MPa（受壓），2.12 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.73×10-4，已超過混凝土峰值應(yīng)變）；上環(huán)梁與錐板交接處正彎矩，此處板底混凝土受拉、板面受壓，應(yīng)力值為0.99 MPa（受拉），5.99 MPa（受壓）；中間層則全部受壓，且整體壓應(yīng)力較小，最大為2.79 MPa。

（2）環(huán)向方向。錐板應(yīng)力沿環(huán)向自上環(huán)梁至下環(huán)梁由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉。板底混凝土應(yīng)力為1.43 MPa（受壓），0.81 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）；板頂混凝土應(yīng)力為2.80 MPa（受壓），1.71 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）；中間層混凝土應(yīng)力為2.09 MPa（受壓），1.23 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）。

2.1.2 頂部平頂內(nèi)力分析

頂部平頂內(nèi)力分布如圖4 所示。在荷載作用下，平頂板徑向彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負彎矩，最大值為10.53 kN·m，板正彎矩為7.32 kN·m，位于平頂跨中；環(huán)向彎矩分布同徑向類似，彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負彎矩，最大值為7.76 kN·m，板正彎矩為6.43 kN·m，位于平頂跨中。

圖4 平頂內(nèi)力圖

2.1.3 整體性能指標對比分析

施工階段，錐頂板及平頂?shù)膽?yīng)力計算結(jié)果及相應(yīng)性能如表1 所示。在上述施工工況下，圓錐基本處于抗壓狀態(tài)，混凝土的壓應(yīng)力最大值為5.99 MPa，小于其抗壓強度指標；由于錐頂邊緣構(gòu)件整體影響，混凝土最大拉應(yīng)力為2.19 MPa，但頂板與倉壁交接處及頂板跨中拉應(yīng)變均超過峰值拉應(yīng)變，說明該處拉應(yīng)力已處于下降階段，實際拉應(yīng)力應(yīng)大于C35 混凝土抗拉強度標準值。

表1 施工階段各構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果表 單位：MPa

2.2 正常使用階段應(yīng)力分析

2.2.1 底層錐頂應(yīng)力分析

底層錐頂在正常使用階段，徑向和環(huán)向內(nèi)力作用下的應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 混凝土應(yīng)力圖

（1）徑向方向。與板彎矩相對應(yīng)，下環(huán)梁與錐板交接處板受負彎矩，即板底受壓、板面受拉，此處應(yīng)力為10.76 MPa（受壓），1.205 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.09×10-4）；上環(huán)梁與錐板交接處正彎矩，此處板底混凝土受拉、板面受壓，應(yīng)力值為1.69 MPa（受拉），11.62 MPa（受壓）；中間層則全部受壓，最大為5.14 MPa（錐板與上環(huán)梁交接處）。

（2）環(huán)向方向。錐板應(yīng)力沿環(huán)向自上環(huán)梁至下環(huán)梁由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉。板底混凝土應(yīng)力為3.44 MPa（受壓），1.64 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.38×10-4，靠近下環(huán)梁處）；板頂混凝土應(yīng)力為5.35 MPa（受壓），0.94 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.50×10-4，靠近下環(huán)梁處）；中間層混凝土應(yīng)力為3.82 MPa（受壓），2.06 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.50×10-4，靠近下環(huán)梁處）。

2.2.2 頂部平頂內(nèi)力分析

頂部平頂正常使用階段內(nèi)力分布如圖6 所示。頂板徑向彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負彎矩，最大值為9.99 kN·m，板正彎矩為5.10 kN·m，位于平頂跨中；頂板環(huán)向彎矩分布同徑向類似，彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負彎矩，最大值為10.40 kN·m，板正彎矩為5.95 kN·m，位于平頂跨中。

圖6 平頂內(nèi)力圖

2.2.3 整體性能指標對比分析

正常使用階段，錐頂板及平頂?shù)膽?yīng)力計算結(jié)果及相應(yīng)性能如表2 所示。在上述使用荷載作用下，鋼筋各向應(yīng)力值均較小，遠遠小于其材料強度；混凝土的壓應(yīng)力最大值為11.62 MPa，小于其抗壓強度指標；而混凝土在平頂與倉壁交接處及平頂與倉壁交接處存在板面負彎矩，該部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力值達到2.15 MPa，略低于抗拉強度標準值，但平頂與倉壁交接處及平頂與上環(huán)梁交接處拉應(yīng)變均超過C35 混凝土峰值拉應(yīng)變，故實際拉應(yīng)力超過C35 混凝土抗拉強度標準值，可局部采取加強筋措施。

表2 正常使用階段各構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果表 單位：MPa

通過整體分析采取加強措施，在混凝土拉應(yīng)力較大部位一定范圍內(nèi)適當增加配筋，以減小混凝土應(yīng)力；在滿足配筋率要求的前提下，建議板內(nèi)（徑向和環(huán)向）配筋采用較小直徑鋼筋，且鋼筋間距不宜超過150 mm；對于錐板或平頂在支座處的負彎矩位置，板面構(gòu)造鋼筋應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求，且在滿足構(gòu)造要求的前提下，可適當增加構(gòu)造配筋；下環(huán)梁可采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，以減小結(jié)構(gòu)在環(huán)向拉力作用下的混凝土環(huán)向拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值分析，對大直徑筒倉雙層頂蓋在施工和正常使用階段兩種工況的受力性能進行分析。研究表明，在施工階段，處于傳統(tǒng)計算的單錐殼狀態(tài)，設(shè)計荷載與施工兩種工況的混凝土應(yīng)力均未超過其強度指標的標準值，考慮施工分步加載較大，但在受力較大部位（錐板與上、下環(huán)梁交接處）混凝土拉應(yīng)力接近其抗拉強度標準值，需要加強局部位置的抗拉能力；在使用階段，兩種工況下混凝土拉應(yīng)力在相應(yīng)位置均已超過其抗拉強度標準值，即在該位置會產(chǎn)生裂縫兩種工況范圍不同，應(yīng)采用包絡(luò)設(shè)計。對于大直徑雙層頂結(jié)構(gòu)，設(shè)計應(yīng)采用有限元輔助設(shè)計的方法，整體分析，針對相應(yīng)位置采取配筋加強、控制裂縫的措施，彌補常規(guī)計算的不足。