大型落地式钢筒仓数值分析_赵志强.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言受制于焊接技术的发展，钢筒仓的普及较混凝土筒仓起步较晚。钢筒仓常采用铆接式连接，初期主要用于储藏粮食等农作物。随着焊接技术的发展，焊接式钢板仓项目逐渐增多，其具有施工周期短、工艺布置灵活等优点，被广泛应用于煤炭、钢铁、电力行业，用以储存生产所需的原料和成品。本文采用GB 508842013钢筒仓技术规范1给出的规范算法和有限元数值模拟方法，对比分析了物料荷载作用下仓体折算应力的计算结果。2工程概况2.1结构布置本工程建设最大设计储量2 500 t烧结成品钢筒仓一座，直径35 m，高度27 m，竖壁高度19 m，屋面桁架高度8 m，竖向加劲肋78道，环向加劲肋15道，仓体布置如图1所示。仓体板带沿竖向共分为10道，并通过对接焊缝连接，板带厚度、环向加劲肋和竖向加劲肋截面，见表1。库壁外侧库壁内侧图 1仓体加劲肋布置及板带布置2.2设计荷载根据规范1作用在钢筒仓上的荷载主要包括结构自重、设备荷载、储料荷载、雪荷载、风荷载、地震作用及温度作用等。本文主要研究储料荷载对筒壁的影响，按作用方向的不同，储料荷载分为水平侧压力和竖向摩擦力。储料的物理参数及材料的性能参数见表2和表3。根据规范1，计算深度s处，储料作用在仓壁单位面积上的水平侧压力标准值Phk应按式（1）计算：【作者简介】赵志强（1989），男，河北唐山人，工程师，从事交通运输工程及结构设计研究。大型落地式钢筒仓数值分析Numerical Analysis of Large Flat-Bottom Steel Silo赵志强（唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 063000）ZHAO Zhi-qiang（Tang Steel International Engineer Technology Corp.,Tangshan 063000,China）【摘要】依托某钢厂 35 m 直径钢筒仓项目，根据 GB 508842013 钢筒仓技术规范，采用 SAP 2000 有限元软件对构建的落地式钢筒仓的 3D 模型进行仓壁有效应力的数值模拟计算，并与规范算法进行对比分析，揭示了两种方法应力计算结果差异，并对产生差异的原因进行总结分析。【Abstract】Taking a 35m diameter steel silo as an example,based on the GB 508842013 Code for Design of Steel Silos Structures,thispaper calculates the effective stress of the silo wall by using the finite element software SAP2000 and the code algorithm,and analyzes thereasons for the difference between the stress calculation results of the two methods.【关键词】落地式；钢筒仓；SAP 2000 有限元软件；应力分析【Keywords】flat-bottom;steel silo;SAP 2000 finite element software;stress analysis【中图分类号】TU391【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0036-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.01136Architectural and Structural Design建筑与结构设计Phk=ks（1）式中，k为侧压力系数，k=tan2（45-/2）；为储料的重度，kN/m3；s为储料顶面至所计算截面的距离，m。当筒仓直径大于或等于12 m且储料的计算高度大于或等于10 m时，水平侧压力应同时按式（1）及式（2）计算，然后取二者较大值。Phk=（1-e-ks/）（2）式中，为储料与仓壁的摩擦系数。根据规范1，计算深度s处，储料作用在仓壁单位面积上的竖向摩擦力标准值Pfk应分别按式（3）计算：Pfk=Phk（3）按式（1）式（3）分别计算每层仓壁单位面积上承受的水平侧压力和竖向摩擦力标准值，见表3。3有限元数值计算3.1荷载组合储料荷载作为控制荷载其作用效应远大于屋面活荷载，因此，根据GB 508842013钢筒仓设计规范及GB 500682018建筑结构可靠性设计统一标准2，恒荷载的分项系数取为1.3，储料荷载分项系数取为1.3，屋面活荷载按不上人屋面，取值为0.5 kN/m2，分项系数取为1.5，组合值系数取为1.0。荷载组合公式为1.3恒荷载+1.3储料荷载+1.51.0屋面活荷载。3.2强度计算规范1提出，在物料轴对称荷载作用下，可按薄膜理论计算仓壁强度。在储料水平压力Ph作用下，可按轴心受拉构件进行计算，见式（4）：t=Phdn2t（4）式中，t为仓壁环向拉应力设计值，N/mm；dn为圆形钢筒仓内径，mm；t为筒壁厚度，mm。在竖向压力作用下，按加劲肋和仓壁构成的组合截面，按偏向受压构件计算，见式（5）：c=qvt（5）式中，c为仓壁竖向压应力设计值，N/mm2；qv为仓壁单位周长的竖向压力设计值，kN/m。在环向拉力和竖向压力共同作用下，以折算应力zs代表仓壁的强度设计值，见式（6）：zs=2c+2t-ct（6）折算应力zs计算结果，见表4。3.3有限元分析按工程实际建立有限元模型，仓壁采用薄壳单元，加劲肋采用一般梁单元，边界约束采用铰接支座，应力计算结果分布见图2。3.4数据分析延仓壁竖向每隔2 m绘制应力分布曲线，如图3所示。表 1板带厚度和加劲肋截面表编号板带高度/m板带厚度/mm加劲肋截面加劲肋间距/m竖向加劲肋/mm123456789102.22.22.22.22.21.51.51.51.51.525222018161412108816a14a14a14a14a12121212120.70.70.70.70.70.750.750.750.750.75HN250125表 2储料的物理参数储料重度/（kN m-3）内摩擦角/（）摩擦系数 侧压力系数 k水力半径 21.6300.40.3338.75表 3材料性能参数钢材材质钢材重度s/（kN m-3）弹性模量E/（N mm-2）抗拉强度设计值 fy/（N mm-2）腐蚀余量/mmQ355C78.52.061053102表 3水平侧压力和竖向摩擦力标准值储料计算深度 s/mPhk/（kN m-2）Pfk/（kN m-2）1.53.04.56.07.59.711.914.116.318.521.4242.4763.1683.50103.50132.22160.22187.53214.15240.123.246.489.7212.9616.2020.9525.7030.4635.2139.9637Construction&DesignForProject工程建设与设计注：有效厚度为板带厚度减去腐蚀余量。计算深度 s/m有效厚度/mmdn/mmPhk/（kN m-2）t/（N mm-2）qv/（kN m-1）c/（N mm-2）zs/（N mm-2）1.53.04.56.07.59.711.914.116.318.56.06.08.010.012.014.016.018.020.023.03521.4242.4763.1683.50103.50132.22160.22187.53214.15240.1280.97160.11178.09187.84193.48211.00222.83230.92236.41229.6225.4240.5565.2499.51143.35224.87326.76449.04591.69754.964.236.758.159.9511.9416.0620.4224.9429.5832.8283.17163.59182.31193.01199.72219.47233.72244.35252.51247.66由于储料的仓壁环向压力和竖向摩擦力随高度的降低而逐渐增大，因此，仓壁应力也是随高度的降低而逐渐增长。规范算法和有限元法总体变化趋势相似，但是有限元法3种应力结果均小于规范算法，两者的最大差值在13%左右。这是由于规范算法未考虑环向和竖向加劲肋的有利作用，进而导致计算结果偏大。3-5根据折算应力曲线，两种方法均在距离仓底2 m位置处，折算应力达到最大值。而靠近仓底的位置有限元法的折算应力陡然减小，变化的幅度远大于规范算法，这是由于仓底边界条件限制了仓壁的径向变形。4结论及建议钢结构筒仓属于圆柱薄壳结构，虽然规范给出了基于薄膜理论的计算公式，但是其计算结果偏于保守。特别是对于一些复杂情况，如仓壁开洞、屋面承受非均布荷载等情况，规范算法存在很大的局限性，仍需要采用有限元算法进行验证。6仓壁的折算应力在距离仓底2 m的位置达到最大值，在靠近仓底，折算应力反而下降。这是由于仓底与基础的刚性连接约束了仓壁的径向位移，从而减小了仓壁的折算应力。尽管如此，为了防止发生“象脚”屈曲破坏，不能削弱底层仓壁钢板厚度，保证仓壁厚度由下往上均匀减小。算例仓壁厚度按板带划分逐级递减2 mm，折算应力曲线自仓顶至最大应力点近似平滑下降，未出现应力突变。因此，建议在工程设计中，上下层板带厚度的差值不宜过大，避免板带连接位置出现应力突变。【参考文献】1中华人民共和国住房和城乡建设部.钢筒仓技术规范:GB 508842013S.北京:中国计划出版社,2013.2中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构可靠性设计统一标准:GB500682018S.北京:中国建筑工业出版社,2018.3姜岩宁.大型落地式钢板筒仓的参数化建模及静力有限元分析J.特种结构,2015,32(6):18-22.4徐欣,吴晓龙.某钢筒仓结构有限元分析与优化J.山西建筑,2021,47(15):48-49,54.5郝雨,陈祥勇.基于有限元软件的某钢筒仓结构设计J.山西建筑,2013,39(7):37-38.6殷海峰.基于AutoCAD二次开发的落地式钢筒仓计算及绘图程序D.济南:山东大学,2014.【收稿日期】2022-10-25N/mm2图 2应力设计值应力/（N/mm2）高度/m图 3应力曲线表 4折算应力设计值38