大型預(yù)應(yīng)力混凝土筒倉日照溫差作用研究

溫浩源 安旭文 楊 力 陸益錳

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

大型預(yù)應(yīng)力混凝土筒倉日照溫差作用研究

溫浩源 安旭文 楊 力 陸益錳

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為探究一種較為完善合理的大型鋼筋混凝土筒倉日照溫差作用計算方法，對大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉進(jìn)行了日照溫差分布模擬和有限元計算分析,研究結(jié)果表明：日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)在環(huán)向主要承受環(huán)向壓力，環(huán)向壓力呈筒倉頂層和底層兩頭大、中間小的規(guī)律分布；在0°<θ<180°區(qū)域內(nèi)，筒倉結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

預(yù)應(yīng)力混凝土,貯煤筒倉,日照溫差,溫度應(yīng)力

0 引言

在大型鋼筋混凝土貯煤筒倉甚至巨倉設(shè)計中，如何考慮日照溫差作用引起的內(nèi)力常常成為結(jié)構(gòu)難題。目前，對于日照溫差在大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)中所引起的溫度應(yīng)力鮮有研究，在設(shè)計大型鋼筋混凝土筒倉時如何合理地考慮日照溫差作用并沒有得到很好地解決。我國現(xiàn)行GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[5](以下簡稱“筒規(guī)”)規(guī)定，無實(shí)踐經(jīng)驗時，環(huán)境溫度作用按永久荷載計算，直徑21 m～30 m的筒倉在溫度作用下引起的環(huán)向拉力可按其在儲料荷載作用下的最大環(huán)拉力的6%計算，直徑大于30 m的筒倉可按8%計算。隨著筒倉直徑的增大及各種新的筒倉結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，大直徑鋼筋混凝土貯煤筒倉的溫度應(yīng)力問題變得尤為復(fù)雜[6]，“筒規(guī)”所提出的考慮筒倉溫度作用的方法以及所設(shè)置溫度應(yīng)力的條件，對于大型或者超大型筒倉是否適用，需要進(jìn)一步研究。因此，對大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的內(nèi)力分布規(guī)律進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義。本文將對日照溫差作用下的筒倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬計算和分析，研究日照溫差作用下大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，探究合適的日照溫差作用有限元計算方法。

1 筒倉倉壁的環(huán)境溫度作用

1.1 筒倉倉壁的環(huán)境溫度分類

處于氣候和環(huán)境比較惡劣礦區(qū)中的鋼筋混凝土貯煤筒倉，由于長期受到太陽輻射以及外界溫度變化的影響，使得筒倉結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各處溫度都處于不斷變化之中[8]。筒倉是暴露在大氣中的構(gòu)筑物，其環(huán)境溫度作用主要有倉壁內(nèi)外溫差、中面季節(jié)溫差和日照溫差。

暴露于大氣中的大型鋼筋混凝土筒倉，筒倉的陽面和陰面會承受一定的日照溫差，日照溫差主要是由于筒倉結(jié)構(gòu)各部位所受太陽輻射強(qiáng)度不同引起的溫度差值。日照和氣溫在圓形筒倉結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的溫度場，實(shí)際上是隨時間而變化的。因此，筒倉結(jié)構(gòu)所受的最大日照溫差實(shí)際上是筒倉結(jié)構(gòu)某一特定時刻的溫度分布狀態(tài)。鑒于此，本文對倉壁在日照溫差作用下的受力性能進(jìn)行研究和探討。

1.2 筒倉倉壁的日照溫差計算

在太陽輻射作用下，筒倉結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的溫度分布是極不均勻的，筒倉結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力計算的難點(diǎn)之一就是如何合理模擬日照溫度場，確定筒倉結(jié)構(gòu)在日照作用下的溫度作用大小和環(huán)向溫差分布規(guī)律。工業(yè)循環(huán)水冷卻塔與混凝土筒倉結(jié)構(gòu)相似，同屬筒式特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為此，參照GB/T 50102—2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范[9]對冷卻塔的筒壁在夏季日照下的溫度應(yīng)力計算方法，研究筒倉倉壁結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的受力狀況，日照作用下筒倉倉壁的溫差可近似按筒高為恒值，日照溫差的計算公式見式(1)。筒倉結(jié)構(gòu)日照溫差的環(huán)向分布示意圖如圖1所示。

(1)

其中，tb(θ)為任意計算點(diǎn)的倉壁溫差,℃；θ為計算點(diǎn)的極坐標(biāo)；tb(0)為太陽垂直照射面θ=0°處的倉壁溫差，可按10 ℃～15 ℃計算，本次分析取tb(0)=15 ℃。

2 大型預(yù)應(yīng)力混凝土筒倉溫差作用計算分析

2.1 筒倉工程概況

某5萬t大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉地上主體結(jié)構(gòu)分為筒壁、環(huán)形錐、倉壁、斗壁、中心柱和倉頂蓋六大部分。筒倉下支承選用筒壁與內(nèi)柱共同支承的結(jié)構(gòu)形式，筒倉底部設(shè)有環(huán)形斗壁出料口，倉壁和漏斗壁結(jié)構(gòu)部位采用無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。筒倉外直徑為45 m，主體結(jié)構(gòu)高50 m，倉壁厚0.55 m，筒壁厚0.6 m，漏斗壁厚0.6 m。筒倉混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，混凝土彈性模量Ec=3.25×104N/mm2，泊松比為υ=0.167，混凝土的線膨脹系數(shù)αc=1.0×10-5/℃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·K)。貯煤內(nèi)摩擦角φ=40°，貯煤容重γ=10 kN/m3。

2.2 筒倉結(jié)構(gòu)日照溫差作用有限元計算與分析

2.2.1 筒倉結(jié)構(gòu)日照溫差作用有限元計算

鑒于目前“筒規(guī)”對筒倉溫度作用的考慮是以貯料荷載作用下倉壁最大環(huán)向力的8%作為計算依據(jù)，本文進(jìn)行筒倉結(jié)構(gòu)在日照作用下的有限元分析時，先采用有限元軟件ANSYS對筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的應(yīng)力進(jìn)行計算，然后與儲料荷載作用下的最大應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行比較分析。

采用大型有限元軟件ANSYS計算筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差作用和貯煤荷載作用下的應(yīng)力時，采用三維塊體單元(Solid185)模擬筒倉結(jié)構(gòu)實(shí)體，溫度可作為單元體力作用在單元節(jié)點(diǎn)上，貯料壓力可作為面力加載在單元面上，正壓力指向單元內(nèi)部，計算結(jié)果可真實(shí)地反映筒倉結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。本文重點(diǎn)研究筒倉上部結(jié)構(gòu)，不考慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，即筒倉底部按固定約束處理。筒倉有限元實(shí)體模型如圖2，圖3所示。由此求得在日照溫差作用下筒倉環(huán)向應(yīng)力分布如圖4所示。貯煤荷載作用下筒倉環(huán)向應(yīng)力如圖5所示(貯煤側(cè)壓力按照“筒規(guī)”介紹的方法計算)。筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差和貯煤荷載作用下的應(yīng)力極值見表1。

表1 筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差和貯煤荷載作用下的應(yīng)力極值 N/mm2

由圖4可知，筒倉倉壁在日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面的受力狀況具有顯著差異。倉壁外表面受日光照射的區(qū)域承受拉應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力值為3.1 N/mm2；倉壁外表面其他未受日光照射的區(qū)域大部分承受壓應(yīng)力，相應(yīng)的最大環(huán)向壓應(yīng)力值為6.8 N/mm2，位于筒壁結(jié)構(gòu)根部。倉壁內(nèi)表面承受拉應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力區(qū)域位于倉壁結(jié)構(gòu)上部和斗壁根部(即斗壁與倉壁下環(huán)梁連接部位)，最大環(huán)向拉應(yīng)力值為3.1 N/mm2。

由筒倉結(jié)構(gòu)分別在日照溫差作用和貯煤荷載作用下的計算結(jié)果可知，日照溫差在筒倉倉壁中引起的最大拉應(yīng)力是貯煤散料荷載在倉壁中引起的最大拉應(yīng)力的69%，日照溫差在筒倉筒壁中引起的最大拉應(yīng)力是貯煤散料荷載作用下最大拉應(yīng)力的75%。均遠(yuǎn)大于“筒規(guī)”8%的計算規(guī)定。由此可見，日照溫差對大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)的影響較大，是筒倉結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計中不可忽視的重要工況之一，“筒規(guī)”中對筒倉溫度作用的計算方法對于大型整體式混凝土筒倉而言并不合理。

2.2.2 筒倉結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的內(nèi)力結(jié)果分析

由于筒倉結(jié)構(gòu)不同部位的日照溫差與偏離太陽垂直照射面的角度有關(guān)，并且筒倉結(jié)構(gòu)日照溫差分布具有對稱性，因此可沿著筒倉結(jié)構(gòu)環(huán)向選取0°，90°，180° 3個不同方位的計算截面，通過單位高度的倉壁截面應(yīng)力積分來提取筒倉結(jié)構(gòu)內(nèi)力。筒倉結(jié)構(gòu)計算截面內(nèi)力包括環(huán)向軸力N1、環(huán)向彎矩M1和豎向軸力N2、豎向彎矩M2。筒倉結(jié)構(gòu)沿環(huán)向計算截面位置示意圖見圖6。日照溫差作用下筒倉結(jié)構(gòu)不同方位角計算截面的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩、豎向軸力、豎向彎矩沿筒倉高度變化規(guī)律如圖7～圖10所示。

結(jié)合圖7～圖10分析可知：

1)日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)不同方位角計算截面內(nèi)力沿筒倉高度變化規(guī)律大致相同。在0°<θ<180°之間的區(qū)域，筒倉結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

2)筒倉結(jié)構(gòu)在日照作用下的內(nèi)力很大，最大環(huán)向壓力達(dá)到1 738.9 kN，位于筒倉結(jié)構(gòu)49.850 m高度處；最大環(huán)向彎矩達(dá)590.9 kN·m，位于筒倉結(jié)構(gòu)14.830 m高度處；最大豎向軸力達(dá)1 373.8 kN，位于筒倉結(jié)構(gòu)49.850 m高度處；最大豎向彎矩達(dá)706.9 kN·m，位于筒倉結(jié)構(gòu)16.160 m高度處。由此可見日照溫差對大型混凝土筒倉結(jié)構(gòu)影響顯著，在大型混凝土筒倉設(shè)計時應(yīng)該重視日照溫差作用對筒倉結(jié)構(gòu)的影響。

3)結(jié)合圖7分析可知：日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)環(huán)向主要承受環(huán)向壓力，環(huán)向壓力的規(guī)律分布是在筒倉頂層和底層兩頭大、中間小。筒倉溫度作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力包括溫度自應(yīng)力和溫度變化產(chǎn)生的次應(yīng)力。無論是靜定結(jié)構(gòu)還是非靜定結(jié)構(gòu)，只要溫度分布均勻，都不會產(chǎn)生溫度自應(yīng)力。在靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土截面上只有相鄰微元變形不一致導(dǎo)致的相互約束，所以非線性的溫度變化會在靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度自應(yīng)力；而筒倉屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的變形會因為多余約束的影響而產(chǎn)生溫度次應(yīng)力。

3 結(jié)語

通過對大型預(yù)應(yīng)力混凝土貯煤筒倉進(jìn)行日照溫差作用有限元計算分析，可以得出以下主要結(jié)論：

1)在日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面受力狀況具有顯著差異性。

日照溫差對大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)的影響較大，“筒規(guī)”對筒倉溫度作用的計算方法并不適用于大型整體式混凝土筒倉。對于溫差變化較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型或巨型整體式混凝土筒倉在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以根據(jù)具體溫度條件和實(shí)踐經(jīng)驗，采用有限元方法建立實(shí)體模型進(jìn)行受力分析，然后再進(jìn)行配筋設(shè)計和抗裂驗算。

2)日照溫差作用下，筒倉結(jié)構(gòu)不同方位角計算截面內(nèi)力沿筒倉高度變化規(guī)律大致相同。

在0°<θ<180°之間的區(qū)域，對于筒倉結(jié)構(gòu)同一高度、同一種類型的內(nèi)力從日照面向背陰面呈遞減規(guī)律變化。

3)采用有限元法計算日照溫差作用引起的筒倉結(jié)構(gòu)內(nèi)力，在計算精度上可以得到很好保證，結(jié)構(gòu)內(nèi)力可以通過劃分計算截面并采用截面應(yīng)力積分得到，此方法非常方便設(shè)計人員進(jìn)行大型鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。

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[9] GB/T 50102—2003,工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范[S].

The research of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo

Wen Haoyuan An Xuwen Yang Li Lu Yimeng

(SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

In order to find a reasonable calculation method of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo, this paper proceeds the distributed simulation and finite element analysis of the coal silo. This research results show that, with the effect of sunlight temperature difference, the silo structure is mainly under the circular pressure which distribute in both top and bottom of a silo with two big ends and a small middle. In the area of 0°<θ<180°, the internal force from the same height and same type of a silo changes with the declining rule from sunlight side to the shady parts.

prestressed concrete, coal silo, sunlight temperature difference, temperature stress

2015-02-26

溫浩源(1988- )，男，在讀碩士； 安旭文(1970- )，男，副教授； 楊 力(1988- )，男，在讀碩士； 陸益錳(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)13-0038-04

TU378.7

A