地震作用下筒仓结构计算模型贮料荷载的加载要点与分析.pdf

河南建材2 0 2 3年第8 期地震作用下筒仓结构计算模型贮料荷载的加载要点与分析王镇基王浩李世博河南建筑材料研究设计院有限责任公司（4 50 0 0 2)摘要：根据有限元计算软件SAP2000基于自定义质量源的地震力分析特点，探索一种可以充分考虑贮料重心高度变化对地震力影响的筒仓结构建模方法，以更准确的反应出地震作用下筒仓的受力情况，为工程建设提供更安全可靠的理论依据。关键词：筒仓；贮料重心；地震作用筒仓是一种贮存散状物料的立式容器构筑物，筒仓占地面积小，结构形式简单，施工机械化程度高，贮存的物料可依靠重力流动自行完成垂直人仓及出仓，在储存大量物料的同时又缩短了装卸流程，极大降低了建筑用地、运输设备的投入成本，消除繁重的装卸、运输作业，有利于生产自动化；同时封闭的贮存环境、精简的输送流程有利于物料的保存和减小对环境的污染。其中由钢筋混凝土筒壁支试撑的圆形筒仓，因其空间轴对称旋转壳体的特性，使其结构自身有较大的刚度、较强的抗变形适应性验和抗扭转性能,加之贮存的散状物料在地震水平力研作用下的惯性消能作用，使得筒承式圆形筒仓结构究有着极其优良的抗震性能。因此筒仓已成为最主要的仓储结构形式，并广泛应用于煤炭、冶金、粮食、水泥、骨料等生产行业。根据以往多个工程实例,在常见的圆形非落地式的筒仓中,贮存的物料重量与结构自重比值范围约1.5 3.8，物料体积与构筑物总体积比值范围约0.650.8（筒仓储量越大该比值越大），由此可见，筒仓贮存的物料体积大、比重大，满仓时结构重心位置高，质量分布的特点是头重脚轻。单从质量分布来讲，筒仓属于抗震不利结构，因此现行国家规范钢筋混凝土筒仓设计标准中明确指出了按承载能力极限状态计算的荷载效应组合中需要着重体现贮料荷载的控制作用，以及筒仓在地震作用计算中应充分考虑物料重心高度的影响。所以在筒仓抗震设计中物料重心的位置是不可忽略的重要计算参数，其直接影响筒仓结构的地震总弯矩计算结果，从而对地震作用下的地基承载力计算、局部构件抗震验算等造成不良影响，尤其是仓下支承结构抗侧刚度远小于上部仓体的柱承式筒仓。所以筒仓计算模型中能否准确体现贮料重心的高度,对地震作用下的计算结果和结构安全都至关重要。但目前设计行业所应用的绝大多数计算软10件无法满足这一要求，因此需要通过现有的软件探索出一种可行的模型建立方法。文章将通过SAP2000下的工程实例模型展开论述。1SAP2000筒仓建模1.1工程概况以我国某砂石骨料生产线项目中的成品储存库为例,贮存物料为粒径2 0 30 mm的粗骨料，单仓设计有效储量37 0 0 t，筒仓内壁直径1 5m，仓壁高度1 7.2 m，仓底（承受贮料重力荷载的平面）距地面高度9.5m(如图1 所示);工程所在地区的抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值0.1 0 g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为类。设计中采用钢筋混凝土独立筒仓，仓下支撑结构为钢筋混凝土筒壁及柱（如图2 所示），仓底采用平板式无梁楼盖，仓顶为型钢梁及现浇钢筋混凝土板组合楼盖；鉴于工程地质情况，筒仓基础采用桩基础。38重心13800ZT00ZTT图1 贮料重心位置变化简壁柱1图2 0.0 0 0 平面图Henan Building Materials重心2023 年第 8 期河南建材1.2建模概述该模型中,平面中心对称布置的四根钢筋混凝土柱和组合楼盖的型钢梁定义为框架截面,其他构件如库壁、仓底板、基础承台等均定义为面单元。软件中提供了三大类面单元属性类型，分别为板（细分为薄板、厚板）,壳（细分为薄壳、厚壳）,膜。其中的壳单元具有膜单元和板单元的力学属性之和，可以承受平面外及平面内的力，且能考虑其刚度、质量对结构的影响，分析结果中也可查看其自身的应力、应变等，适合模拟任何面对象。其中，薄壳忽略了横向剪应力对变形的影响，主要用于高厚比大于10的结构构件的快速计算，而厚壳考虑了所有因素。为了更准确的了解筒仓各个构件、各个部位的受力情况，提高模型力学分析结果的精度，本模型中的墙、板类构件（筒壁，仓壁，仓底板，仓顶板,基础承台)均设置为厚壳；有限元单元格边长控制在400500mm范围内。对模型的桩基进行简化处理，根据设计图纸中实际的布桩位置，在模型中对应或相近的承台节点位置设置简支支座，并释放支座对承台的拉力。1.3料荷载的定义及加载方法按照现行国家规范钢筋混凝土筒仓设计标准的规定，仓底为平板时，筒仓贮料荷载作用位置为仓壁和仓底，仓壁上的荷载是贮存的物料与仓壁间的摩擦力，仓底的荷载是扣除摩擦力后的贮料重量。在计算筒仓的贮料荷载时，设计标准按贮料高度与筒仓直径比值把圆形筒仓划分为深仓和浅仓，其中对于高径比大于或等于1.5的深仓，要分别计算贮料对仓内壁的摩擦力和贮料对仓底的压力；对于高径比大于0.4 且小于或等于1.0 的浅仓，认为贮料荷载全部作用于仓底，即不考虑贮料与仓壁间的摩擦力；对于高径比大于1.0 且小于1.5的、既介于深仓和浅仓之间的仓，应分别按浅仓和深仓进行设计。该工程筒仓高径比为1.1 5，本次荷载加载时先按深仓进行 2-3。筒仓仓底的贮料荷载与常见的楼面均布荷载有所不同：在无水平地震作用时，物料重力荷载绝大部分或全部由仓底承担，此时仓底荷载可以简化为常规的楼面均布荷载；但是在有水平地震作用时，由于散装物料整体性极差,所以由物料产生的水平地震作用力主要通过物料与仓壁的接触面传递给筒仓结构，而通过物料与仓底的接触面传递的水平地震力极其有限；除此之外，物料重心高度随贮料量的变化而改变，且变化幅度非常大,因此,在计算筒仓水平地震作用时就不得不考虑贮料重心高度的影响。在筒仓结构进行抗震设计时,如果仅在模型的仓底平面上输入贮料均布荷载，那么计算程序会认定贮料荷载的作用位置为仓底平面，并通过该平面结构构件向结构其他构件传递地震力，这不仅遗漏了实际的贮料重心高度，而且导致地震水平力的作用位置和传递模式与实际情况不符，使计算模型与实际情况严重偏离。为了在模型中加人贮料重心高度这一参数，同时使贮料地震力的作用位置趋于实际情况，这里将贮料荷载分为3个部分进行加载，以满仓时为例：仓底板上的贮料活荷载，以常规的均布活荷载的形式加载到仓底的面单元上；仓壁水平力及竖向摩擦力，分别以表面压力的形式加载到贮料高度范围以内的仓内壁的面单元上；用于计算水平地震力的贮料活荷载，以节点荷载的方式加载到仓壁节点上。以上第、两组荷载是根据规范钢筋混凝土筒仓设计标准计算得出的实际存在的荷载，按实际情况正常加载。第组荷载即是为了解决贮料重心高度参数缺失而额外添加的荷载，实际中并不存在,所以该荷载不能参与荷载组合，也不直接参与结构计算和内力分析，仅作为质量源的参考荷载用于计算水平地震力（注：程序中的质量源可理解为重力荷载代表值，模型中需要计人质量源中的荷载都需要手动添加）。该荷载以节点荷载的方式，加载到仓底至贮料顶部锥体重心高度之间仓壁的所有节点上，每个节点的荷载值等于贮料重量除以节点数，加载完成后将该组荷载分配给质量源。这样以来，程序就会自动考虑这些分布在仓壁节点上的荷载的综合高度。通过这种荷载分组和加载方式，不仅解决了水平地震作用下贮料重心高度被忽略的问题，而且使贮料荷载产生的水平地震力的作用位置从仓底转移到了仓壁，除此之外还消除了因添加了实际不存在的荷载对计算结果的影响,从而能够更准确的计算出水平地震作用下筒仓的受力情况。以本工程为例，模型中的质量源数据包含：结构构件自重荷载（1.0）；筏板覆土荷载（1.0)；设备自重荷载（1.0)；普通楼面活荷载（0.5）；设备活荷载（0.5）；用于计算地震力的仓壁节点荷载（0.8）（注：Henan Building Materials试验研究11河南建材2 0 2 3年第8 期括号内的数值为荷载组合值系数）。2模型分组及计算结果分析这里采用三个独立的模型分别进行计算分析，其的不同之处在于贮料荷载的加载方式：模型-1既满仓状态下采用上文阐述的贮料荷载加载方式；模型-2 仅把满仓时的贮料荷载作为常规的均布面荷载输人模型，未考虑贮料重心高度；模型-3为空仓状态下的模型，既模型中没有添加贮料荷载，该模型用于辅助对比;模型-1 -3的质量源内容见表1。在模型完成计算后，分别对筒仓整体受力计算结果及比较有代表性的结构构件内力分析结果进行对比，以验证文章所述的加载方式是否可行，以及不同的贮料重心高度对局部构件的内力分析结果是否有影响。表1 模型-1 -3质量源内容模型-1 -3质量源内容模型-1模型-2试1验23研4究5用于计算地震力的仓底板贮料均布不考虑贮料荷载，6仓壁节点荷载（0.8）2.1整体计算结果及分析表2 为三个模型的重力荷载统计结果，由于这三个模型完全一样，仅是贮料荷载的加载方式不同,所以三个模型的重力荷载统计结果是完全一致的，其中模型-3的贮料活荷载统计结果为0。表3为三个模型与地震效应相关的计算结果,FX、FY为水平地震作用下结构总剪力，MX、M Y为水平地震作用下结构总弯矩，该弯矩值相对应于基底支座高度处；其中X、Y是水平方向的垂直坐标系,Z是高度方向。表2 重力荷载统计重力荷载统计工况1结构自重2覆土自重3设备自重4楼地面普通活荷载5设备活荷载6贮料活荷载12表3地震力计算结果地震力计算结果工况FX(kN)模型1X方向地震4.207Y方向地震模型2X方向地震4.207Y方向地震模型3X方向地震2164Y方向地震对表3中的计算数据初步分析对比：由于未考虑贮料荷载，模型-3中的水平地震作用下结构总剪力及总弯矩均明显小于模型-1 和模型-2,符合预期。由于未考虑贮料重心的高度,模型-2 中水平地震作用下结构总剪力与模型-1 相同，但总弯矩小于模型-1,也符合预期。进一步分析对比:通过模型-1 和模型-3可以模型-3计算出贮料活荷载在水平地震作用下的总剪力为4结构构件自重荷载（1.0）207kN-2164kN=2043kN,贮料重心高度距离基筱板覆土荷载（1.0）底高度为1 1.7 0 0 m+6.647m=18.347m（数据见图设备自重荷载(1.0)-1）,所以在考虑了贮料重心高度后，相对于基底支普通楼面活荷载（0.5）座高度处的由贮料荷载产生的地震总弯矩应为2设备活荷载（0.5）043kN18.347m=37483kNm，模型-1 和模型-3的总弯矩差值为7 58 6 9 kNm-38347kNm=活荷载(0.8)既空仓FZ(kN)271853.759139169027037568Henan Building MaterialsFY(kN)MX(kN*m)MY(kN*m)/758694 20775869/4207/216437522kNm,两者基本一致,说明模型-1 的加载方法和质量源分配方法已经考虑了贮料重心高度，能够反应出筒仓在有贮料时真实的整体受力情况。2.2结构构件内力计算结果选取筒仓模型中的柱-1 为分析对象（如图2所示）,由于是中心对称布置,图中的四个柱子内力结果有高度一致性,所以这里仅选取其中一个柱子进行分析。各单工况下的柱内力见表4。表4 模型-1 -2 的柱-1 内力模型-1 -2 的柱-1 内力轴力N剪力V弯矩M(kNm)工况(kN)恒荷载1035活荷载4914模型-1X方向地震Y方向地震恒荷载1035活荷载4914模型-2X方向地震Y方向地震57 57757 5773834738 347(kN)柱顶柱底323372732092117314337155211281411119981206483231127311910311867812023 年第 8 期河南建材水灰比调控氧化石墨烯增强水泥浆体氯离子固化性能罗启灵1 赖慈锋1 付军恩李志堂3董刚4 任秋兵51深圳大学土木与交通工程学院(51 8 0 6 0)2中国铁建大桥工程局集团有限公司（30 0 30 0）3保利长大工程有限公司（51 0 0 0 0)4深圳市盐田港建筑工程检测有限公司（51 8 6 0 0）5天津大学（30 0 350)摘要：氯离子侵蚀是导致钢筋混凝土结构腐蚀劣化的主要原因，氯离子固化技术可有效降低混凝土孔隙液