地震作用下鋼筋混凝土筒倉(cāng)動(dòng)力特性及變形分析

趙書鋒 尉桂芬

開封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院（475004）

地震作用下鋼筋混凝土筒倉(cāng)動(dòng)力特性及變形分析

趙書鋒 尉桂芬

開封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院（475004）

這里運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS建立起大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力特性分析和兩組天然波一組人工波的時(shí)程分析，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)前四階均為平動(dòng)，第五階以后出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)在TAFT波作用下位移反應(yīng)最為強(qiáng)烈，但是最大值仍然滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的整體剛度設(shè)計(jì)合適。為大型或超大型混凝土貯煤筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些可參考、有價(jià)值的數(shù)據(jù)和建議，供技術(shù)人員參考。

筒倉(cāng)；地震反應(yīng)；動(dòng)力特性；時(shí)程分析

0 引言

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)被廣泛用于儲(chǔ)存煤、水泥、糧食、飼料等散料狀材料，在工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)于緩沖原料與中間物料、協(xié)調(diào)生產(chǎn)、配送起到重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,筒倉(cāng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是煤筒倉(cāng)正在向著更大、更高、更復(fù)雜的方向發(fā)展。目前運(yùn)用于貯煤筒倉(cāng)的整體分析的理論研究仍存在許多漏洞[1]，這里將運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)開封發(fā)電廠一大型筒倉(cāng)的動(dòng)力特性和地震作用下的變形進(jìn)行分析。

1 工程概況

開封市發(fā)電廠鋼筋混凝土筒倉(cāng)直徑100 m，高18 m，壁厚0.7 m，進(jìn)料口門5.5 m（寬）×6 m（高），環(huán)向均勻設(shè)置45根扶壁柱，其截面為0.8 m（長(zhǎng)）×0.5 m（寬）的壁柱，頂部設(shè)置0.8 m（長(zhǎng)）×0.5 m（寬）的環(huán)梁，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管狀，其直徑為d=0.8 m，管樁間隔3度，分三排布置沿環(huán)向每隔3度設(shè)置有3排管樁，其直徑為d=0.8 m，共計(jì)360根。上、下部結(jié)構(gòu)通過6.6 m×2.1 m的承臺(tái)連成整體。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2 g，場(chǎng)地類別為II類；倉(cāng)壁C40鋼筋混凝土,采用HPB300級(jí)、HRB400級(jí)鋼筋。材料參數(shù)見表1。

表1 材料屬性及參數(shù)

圖1 有限元模型圖

1.1 單元選取

筒倉(cāng)側(cè)壁采用8節(jié)點(diǎn)空間Solid65單元三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。壁柱和環(huán)梁采用BEAM188三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，預(yù)應(yīng)力管樁采用管單Pipe16單元模擬。計(jì)算中考慮了管樁和土體之間的共同工作和整體效應(yīng)，整個(gè)模型共有85 518個(gè)單元，94 690個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限單元計(jì)算模型如圖1所示。

1.2 計(jì)算范圍和邊界條件

考慮樁土相互作用，計(jì)算過程中參照有關(guān)文獻(xiàn)[2]及工程實(shí)例計(jì)算深度取30 m（2倍樁長(zhǎng)），外邊屆取筒倉(cāng)外18 m，內(nèi)邊界取筒倉(cāng)內(nèi)38 m，土體的外邊界和土體底部設(shè)置即X、Y、Z三個(gè)方向位移為0，位移為完全固定約束，而筒倉(cāng)壁內(nèi)側(cè)土體邊界考慮由于受到貯煤豎向壓力的作用產(chǎn)生豎向位移，將土體內(nèi)邊界在水平面方向(XOY面)位移為0視為兩向約束。

1.3 筒倉(cāng)所受到的壓力載荷[3]

散料頂面下h處的側(cè)壓力為:

表2 結(jié)構(gòu)前二十階振型固有頻率、周期值

散料頂面下z處的豎向壓力為:

式中，k為側(cè)壓力系數(shù)，γ為貯煤的重度，h為貯煤的頂端到煤堆底面的距離，根據(jù)計(jì)算，在此取k= 0.45，γ=13 kN/m3，h=17 m。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算主要計(jì)算了結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期以及各階陣型圖，其中表2給出了前十階頻率和周期，圖2為前六階振型圖。

圖2 前六階振型圖

選取有代表性EL-CNENTRO波、TAFT波和上海人工波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，調(diào)整其峰值加速度符合7度設(shè)防要求[4，5]，地震作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移值見表3，最不利地震波TAFT波作用下位移最大時(shí)刻的結(jié)構(gòu)位移云圖如圖3所示。

表3 結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)

圖3 TAFT波作用下最大位移時(shí)刻結(jié)構(gòu)位移云圖

3 結(jié)論

從以上相關(guān)的圖表數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論:

1）從結(jié)構(gòu)的前幾階周期可以看出兩兩相近，結(jié)構(gòu)的固有頻率首先出現(xiàn)在剛度較弱的開洞方向，前四階以平動(dòng)為主，第五階開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，筒倉(cāng)頂部振動(dòng)較為明顯，應(yīng)對(duì)此處采取加強(qiáng)措施，適當(dāng)加大環(huán)梁尺寸，由于建模沒有考慮倉(cāng)蓋的約束，實(shí)際會(huì)有所改善。

2）在多、罕遇地震作用下，不同的波引起的位移反應(yīng)不同，其中TAFT波位移反應(yīng)最為強(qiáng)烈，但是最大位移小于規(guī)范要求的H/880,說明結(jié)構(gòu)的剛度和變形是滿足規(guī)范要求的。

3）在結(jié)構(gòu)開口處位移相對(duì)大，實(shí)際結(jié)構(gòu)中此處有環(huán)梁與頂蓋的作用,計(jì)算模型未予考慮，若考慮其約束作用位移效應(yīng)會(huì)有所減小。

[1]滕錦光,趙陽(yáng).大型鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2001(4):46～52.

[2]馬超.筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)一地基相互作用動(dòng)力計(jì)算[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.

[3]GB 50077-2003,中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

[4]GB 50191-2012,中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社,2012.

[5]王錄民,等.鋼筋混凝土立筒群倉(cāng)結(jié)構(gòu)抗震模型的設(shè)計(jì)與制作[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008,3(6):37～40.