張林杰,曾長(zhǎng)女

河南工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 (鄭州 450001)

方形混凝土儲(chǔ)倉(cāng)分倉(cāng)倉(cāng)壁靜壓力有限元分析

張林杰,曾長(zhǎng)女

河南工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 (鄭州 450001)

以某工程為實(shí)例，用有限元軟件建立模型，對(duì)糧食分倉(cāng)儲(chǔ)存進(jìn)行了研究，對(duì)方倉(cāng)在使用階段的應(yīng)力分布和位移變化進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究，所得的分析結(jié)果可供糧食進(jìn)行分倉(cāng)儲(chǔ)存時(shí)提供借鑒。

方倉(cāng)；分倉(cāng)儲(chǔ)存；變形；應(yīng)力

根據(jù)新形式下糧油安全儲(chǔ)藏的需要，形成新的“五分開(kāi)”(種類、品種、等級(jí)、生產(chǎn)年度、水分)這樣做的目的是為了防止品種混雜、利于保持糧油本身的品質(zhì)，防止混裝造成的糧堆內(nèi)的品質(zhì)不均勻，引起不良情況的發(fā)生，危及到儲(chǔ)糧安全；為糧油安全儲(chǔ)藏和合理利用提供保障，糧食分倉(cāng)收儲(chǔ)模式新倉(cāng)型進(jìn)行糧食儲(chǔ)藏，可有效解決糧食產(chǎn)后流通、加工存在著數(shù)量損失嚴(yán)重、能耗較高、品質(zhì)質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題一系列技術(shù)難題，并引導(dǎo)糧食產(chǎn)前的集約化經(jīng)營(yíng)。

1995年，戴國(guó)光提出鋼筋砼方倉(cāng)按深梁設(shè)計(jì)[1]；2009年，毛丁濤通過(guò)分析和計(jì)算完成了方形混凝土群倉(cāng)的結(jié)構(gòu)選型，其次得到群倉(cāng)在不同荷載下的結(jié)構(gòu)影響，并找到方形群倉(cāng)的最不利組合，施加預(yù)應(yīng)力，形成方形預(yù)應(yīng)力混凝土儲(chǔ)煤群倉(cāng)[2]；2010年，羅宇東研究了重點(diǎn)介紹了方形煤倉(cāng)并列群倉(cāng)貯煤技術(shù)，將方形煤倉(cāng)并列群倉(cāng)貯煤方式與其他主要貯煤方式做了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，闡述了方形煤倉(cāng)并列群倉(cāng)貯煤技術(shù)在大型燃煤電廠的使用條件[3]；2015年，林亞松，楊志敏把筒、方倉(cāng)各自優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起創(chuàng)新一種新的倉(cāng)型-正方形方倉(cāng)，通過(guò)分析和計(jì)算，證明了正方形方倉(cāng)比現(xiàn)有的筒倉(cāng)、方倉(cāng)的優(yōu)越性，可以降低投資、節(jié)約作業(yè)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)[4]。2016年，江世哲等研究表明新型鋼結(jié)構(gòu)方倉(cāng)與圓形混凝土筒倉(cāng)相比，具有造價(jià)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊的的優(yōu)勢(shì)[5]。因此方形砼群倉(cāng)在貯糧中有著很大的應(yīng)用前景，對(duì)糧倉(cāng)等相關(guān)貯料倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供借鑒意義。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

本文的工程實(shí)例以某糧倉(cāng)為研究背景，糧倉(cāng)共4層，其中第3層為儲(chǔ)糧層，本文取第3層為重點(diǎn)來(lái)研究糧食的分倉(cāng)儲(chǔ)存，高10.8 m，柱距為10 m×10 m，柱的截面尺寸為0.5 m×0.5 m，每隔5 m處設(shè)有混凝土倉(cāng)壁，倉(cāng)壁厚0.25 m，倉(cāng)板厚0.18 m，梁距分別為1.7 m，1.6 m，1.7 m，以此類推；周邊的跨梁截面尺寸為0.35 m×1 m，次梁的截面尺寸為0.25 m×0.6 m，混凝土柱采用C40混凝土，彈性模量為32.5 kPa，泊松比為0.2，重力密度為2 400 kg/m3；其余均使用C35混凝土，彈性模量為31.5 kPa，泊松比為0.2，重力密度為2 390 kg/m3[6]。本文取100 m2，即一個(gè)柱距；為對(duì)象研究分倉(cāng)儲(chǔ)糧的不同工況下結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。梁柱的分布見(jiàn)圖1。

圖1 梁柱的分布示意

1.2 模型的建立

本文利用ABAQUS有限元軟件對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析。糧倉(cāng)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文中的模型研究的重點(diǎn)倉(cāng)板和倉(cāng)壁都采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元S4R，梁和柱采用三維兩點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧狟31[7]，倉(cāng)板和倉(cāng)壁合并成一個(gè)部件，梁和柱合并成一個(gè)部件，兩個(gè)部件之間使用綁定約束(tie)組合成。

(1) 約束確定及荷載施加

在糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)模型的一個(gè)部位施加約束：在數(shù)值模擬中，把柱底部邊界條件考慮成剛結(jié)固定端。

(2)倉(cāng)底荷載的施加

倉(cāng)底荷載 本筒倉(cāng)模型的荷載主要有結(jié)構(gòu)重力荷載、糧食荷載。前面已經(jīng)定義了材料的屬性，結(jié)構(gòu)的重力荷載可以計(jì)算出。糧食荷載在模型結(jié)構(gòu)中是以壓力的形式出現(xiàn)，在樓板處產(chǎn)生豎向壓力，糧倉(cāng)高度為10.8 m，以儲(chǔ)存小麥為例，糧食容重取8 kN/m3[8]，則倉(cāng)底板承受糧食荷載：8×10.8=86.4 kN/m2。

(3)倉(cāng)壁荷載

在倉(cāng)壁處承受糧食水平壓力與豎向摩擦力[9]。本文以平堆散糧食計(jì)算倉(cāng)壁承受的糧食荷載如圖2所示。

平堆散裝糧食對(duì)于計(jì)算深度s處倉(cāng)壁產(chǎn)生的水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Ph=k·s

(1)

(4) 計(jì)算深度s處糧食作用于倉(cāng)壁單位面積上的豎向摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Pf= kγstanδ

(2)

式中：s為儲(chǔ)糧頂面至計(jì)算截面的距離，m；γ為儲(chǔ)糧的重力密度，kN/m2；δ為糧食對(duì)灰砂粉刷面的外摩擦角；k糧食側(cè)壓力系數(shù)，k=tan2(45°-φ/2)；φ為糧食內(nèi)摩擦角；當(dāng)儲(chǔ)糧為小麥時(shí)，具體參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 糧食參數(shù)取值表

參照以上公式，對(duì)模型在LOAD模塊施加相應(yīng)的豎向力，對(duì)倉(cāng)壁的水平力和豎向摩擦力，如圖2所示；向下的箭頭是施加的相應(yīng)位置的摩擦力，圖中的梯形荷載表示倉(cāng)壁所受到的糧食造成的由上到下逐漸增大的側(cè)向力。整體如圖3。

(5)五種分倉(cāng)工況

如圖3所示，筒倉(cāng)正常工作時(shí)共有5種不同工況，為方便表明不同工況，分別給4個(gè)倉(cāng)標(biāo)號(hào)(圖4)。

不同工況組合見(jiàn)表2。

圖2 平堆散裝糧食對(duì)倉(cāng)壁產(chǎn)生的荷載

圖3 模型荷載施加圖

圖4 筒倉(cāng)標(biāo)號(hào)示意

表2 工況表

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 倉(cāng)板、壁的應(yīng)力與變形

在結(jié)構(gòu)受力最大的四倉(cāng)同時(shí)工作狀態(tài)下，樓板上的最大應(yīng)力集中在隔板底部?jī)蓚?cè)，倉(cāng)壁上的應(yīng)力主要集中在底部4個(gè)倉(cāng)角處，從上到下逐漸變大，在有底板約束的倉(cāng)壁低端應(yīng)力達(dá)到最大，最大位移分布在各單倉(cāng)的底板中心處，變形從中間部位沿四周呈均勻遞減趨勢(shì)，如圖5、圖6所示其它工況的應(yīng)力分布和四倉(cāng)的應(yīng)力分布基本相似。

圖5 筒倉(cāng)整體應(yīng)力圖

圖6 筒倉(cāng)整體位移圖

圖7 倉(cāng)壁應(yīng)力隨高度變化圖

圖8 倉(cāng)壁位移隨高度變化圖

(1)倉(cāng)壁沿高度方向上的應(yīng)力

從圖7可以看出，從倉(cāng)壁底部到倉(cāng)壁頂部應(yīng)力逐漸減小，單倉(cāng)從2.02 MPa、雙倉(cāng)對(duì)角從2.01 MPa、鄰倉(cāng)從2.12 MPa、三倉(cāng)從2.3 MPa、四倉(cāng)從2.47 MPa逐漸減小到0。雙倉(cāng)對(duì)角和鄰倉(cāng)雖然都是兩個(gè)倉(cāng)同時(shí)工作，但應(yīng)力曲線趨勢(shì)卻相差較大，總體來(lái)說(shuō)四倉(cāng)的應(yīng)力曲線趨勢(shì)最大，單倉(cāng)最小，說(shuō)明倉(cāng)壁應(yīng)力主要由糧食荷載控制。

(2)倉(cāng)壁沿高度方向上的位移

從圖8所示可以看出由于筒倉(cāng)頂部沒(méi)有樓板的約束，所以不為0，而是根據(jù)不同工況而有所不同；在接近筒倉(cāng)底部出現(xiàn)明顯較大變形，工況一到工況五的最大位移分別為0.32 mm、0.37 mm、0.39 mm、0.56 mm、0.61 mm。

2.2 柱和梁的應(yīng)力和位移

柱和梁的應(yīng)力和位移云圖見(jiàn)圖8和圖9。

由圖9、圖10所示可知，梁的應(yīng)力和位移分布情況和筒倉(cāng)整體的應(yīng)力和位移分布情況相吻合，說(shuō)明模型中筒倉(cāng)的板和壁與梁和柱的接觸良好；應(yīng)力集中在主梁與次梁的交接處，此處受力較大，應(yīng)加強(qiáng)配筋；位移主要發(fā)生在次梁與倉(cāng)板底部接觸的中心處，此處位移較大，應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，增加強(qiáng)度減少位移，從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖9 梁柱應(yīng)力圖

圖10 梁柱位移圖

3 不同柱距的對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)的最大受力部位和最大變形部位是底板，結(jié)構(gòu)使用的C35混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為16.7 N/mm2，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力16.7 N/mm2時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到承載極限，為了研究結(jié)構(gòu)的極限承載能力，分別對(duì)10 m×10 m柱距的擴(kuò)展模型和15 m×15 m柱距的擴(kuò)展模型底板施加的荷載逐漸增至結(jié)構(gòu)的承載極限，并對(duì)以下因素進(jìn)行對(duì)比分析了：

(1)位移影響范圍：10 m×10 m柱距結(jié)構(gòu)在四倉(cāng)同時(shí)工作時(shí)位移的影響半徑約為13 m，15 m×15 m柱距位移影響半徑約為17 m。

(2)極限荷載：通過(guò)有限元模擬，確定10 m×10 m柱距的底部極限荷載為1 550 kN/m2，15 m×15 m柱距的底部極限荷載為590 kN/m2，10 m柱距比15 m柱距的承載能力大約2.6倍。

柱距10 m×10 m的結(jié)構(gòu)極限荷載模型見(jiàn)圖11和圖12。

柱距15 m×15 m的結(jié)構(gòu)極限荷載模型見(jiàn)圖13和圖14。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)筒倉(cāng)分倉(cāng)儲(chǔ)存形式進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

圖11 10 m×10 m 柱距應(yīng)力圖

圖12 10 m×10 m柱距位移圖

圖13 15 m×15 m柱距應(yīng)力圖

(1)倉(cāng)壁越靠近底板約束的位置，應(yīng)力越大，倉(cāng)底位置倉(cāng)壁應(yīng)力達(dá)到最大。

(2)方倉(cāng)底部的倉(cāng)壁和底板連接處受力比較集中應(yīng)采取加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)筒倉(cāng)的5種儲(chǔ)藏方式倉(cāng)壁應(yīng)力最大的為工況四為2.47 MPa，小于C35混凝土樓板的軸心抗壓設(shè)計(jì)值16.7 MPa/m2，所以可以說(shuō)明這5種不同工況的受力雖有大小之分，但是，都在混凝土所能承受的強(qiáng)度范圍之內(nèi)，即五種不同工況都可以安全使用。

圖14 15 m×15 m柱距位移圖

(4)工況二(對(duì)角)和工況二相比較，倉(cāng)壁位移分別為0.37 mm和0.39 mm相差無(wú)幾，但應(yīng)力分別為2.01 MPa、2.12 MPa相差相對(duì)較大。所以當(dāng)實(shí)際情況中確實(shí)需要兩個(gè)筒倉(cāng)一起工作時(shí)，應(yīng)盡量使用工況二(對(duì)角)的儲(chǔ)存方式，以減少對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

(5)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)10 m×10 m柱距和15 m×15 m柱距兩種結(jié)構(gòu)方案都能滿足結(jié)構(gòu)正常使用，但10 m柱距比15 m柱距的承載能力大約2.6倍。

[1] 戴國(guó)光. 鋼筋砼方倉(cāng)按深梁設(shè)計(jì)的成功嘗試[J]. 糧食與食品工業(yè),1995(3):37-41.

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Analysis on finite element of static lateral pressure in square concrete silos

Zhang Linjie, Zeng Changnv

Henan University of Technology Institute of Architecture and Civil Engineering (Zhengzhou 450001)

By taking a project as an example, using finite element software to build model, the warehouse storage of grain was studied, and the numerical simulation of stress distribution and displacement on the granary in normal working were studied. The results can be used for grain storage.

square storehouse; branch warehouse; deformation; stress

2017-03-02

糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：201513001)；河南省高校青年骨干教師資助計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：2011GGJS-080)。

張林杰，男，1992年出生，研究生，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

TU318

B

1672-5026(2017)03-045-05