大型落地式鋼板倉地震作用分析

劉振華　付迎娟　王　濤　張　震

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟南　250061)

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大型落地式鋼板倉地震作用分析

劉振華付迎娟王濤張震

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟南250061)

摘要:結(jié)合某落地式水泥鋼板筒倉工程為例，利用有限元軟件ABAQUS建立了三維筒倉模型，采用時程分析法，對鋼板倉進行了地震作用分析，根據(jù)鋼筒倉設(shè)計規(guī)范，探討了鋼筒倉的抗震性能，為落地式鋼板筒倉的抗震設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:落地式鋼板筒倉，ABAQUS，時程分析

1　工程概況

以某大型落地式水泥鋼板倉工程實例，鋼板倉直徑為25 m，倉壁高度為18 m，由厚度不盡相同的12節(jié)鋼板逐節(jié)焊接而成。底板為鋼筋混凝土材料，直徑26 m，厚度1 m(不考慮加勁肋和倉頂結(jié)構(gòu))。倉壁所用鋼材材性為Q345D，彈性模量2．06× 105N/mm2，泊松比0．3。水泥物料彈性模量8．5 N/mm2，泊松比0．33，容重16 kN/m3，與鋼板摩擦系數(shù)0．3，與混凝土摩擦系數(shù)0．45，粘聚力700 Pa，內(nèi)摩擦角30°，側(cè)壓力系數(shù)0．333。

2　采用規(guī)范驗算地震作用下鋼筒倉倉壁強度

計算參數(shù)選取:場地類別Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第三組，場地特征周期為0．65，抗震設(shè)防烈度分別選取6度和8度，對應(yīng)的設(shè)計地震加速度0．05g和0．20g，地震影響系數(shù)最大值0．04和0．16。

依據(jù)GB 50322—2011糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范(簡稱《糧規(guī)》)以及GB 50884—2013鋼筒倉技術(shù)規(guī)范(簡稱《鋼規(guī)》)中的相關(guān)規(guī)定，6度與8度抗震設(shè)防烈度時，計算得鋼板倉不同計算深度處的筒壁的環(huán)向應(yīng)力設(shè)計值σt、豎向應(yīng)力設(shè)計值σc以及折算應(yīng)力設(shè)計值σzs見圖1。

圖1　按規(guī)范計算筒壁的各應(yīng)力設(shè)計值

倉壁環(huán)向應(yīng)力設(shè)計值、豎向應(yīng)力設(shè)計值以及折算應(yīng)力設(shè)計值均小于所用鋼材的抗拉或抗壓強度設(shè)計值f=310 N/mm2，說明該水泥鋼板倉在水泥貯料、鋼板自重以及地震作用的荷載組合下，其倉壁強度滿足《糧規(guī)》和《鋼規(guī)》的要求。另外，抗震設(shè)防烈度增加時，倉壁所受的環(huán)向應(yīng)力沒有發(fā)生變化，而豎向應(yīng)力及折算應(yīng)力隨著設(shè)防烈度的增大而增大。這說明規(guī)范在計算鋼板倉地震作用時沒有考慮地震中物料對倉壁環(huán)向作用的影響。

3　地震作用下的水泥鋼板倉有限元分析

選用ABAQUS建立水泥鋼板倉三維實體模型，分別建立鋼板倉倉壁、水泥儲料以及底板的模型，通過設(shè)置接觸建立三者的關(guān)系。有限元分析采用時程分析法，對模型需輸入水平向地震波，選用El-centro水平地震波(前16 s)沿模型X方向施加，El-centro地震波加速度峰值為341 cm/s2，而在多遇地震下6度和8度抗震設(shè)防烈度(設(shè)計基本加速度0．20g)時程分析時采用的最大地震加速度分別為18 cm/s2和70 cm/s2。

抗震設(shè)防烈度分別為6度和8度時，沿倉壁高度的有限元計算的應(yīng)力分布曲線與按新規(guī)范計算的應(yīng)力分布曲線的對比見圖2。

圖2　各應(yīng)力對比

可知，有限元計算的結(jié)果與按規(guī)范計算的結(jié)果倉壁的各應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，按規(guī)范計算的結(jié)果均要明顯大于有限元計算的結(jié)果，這說明物料與倉壁的摩擦以及物料的自身剛度對地震能量的消耗不容忽略。而環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布有著一些顯著的不同。

在環(huán)向應(yīng)力分布曲線中可知，6度和8度抗震設(shè)防烈度，規(guī)范計算的倉壁環(huán)向應(yīng)力是保持不變的，而有限元計算的是隨地震烈度增大而增大的，說明規(guī)范并沒有考慮地震中物料的晃動對倉壁環(huán)向應(yīng)力的影響而有限元軟件考慮了。

在豎向應(yīng)力分布曲線中可知，有限元計算的結(jié)果和規(guī)范計算的結(jié)果在倉頂和倉底處出現(xiàn)了顯著的不同。倉頂附近，有限元計算的豎向應(yīng)力出現(xiàn)不減反增的現(xiàn)象，是由于水泥物料的彈性模量遠小于鋼材的，物料發(fā)生了沉降，使得倉頂出現(xiàn)了彎曲內(nèi)力，而規(guī)范沒有考慮薄殼彎曲內(nèi)力的影響。倉底附近，有限元計算的豎向應(yīng)力突然增大，比規(guī)范計算的結(jié)果都要大，這也是由于有限元計算時同時考慮了薄殼結(jié)構(gòu)彎曲內(nèi)力和薄膜內(nèi)力的作用而規(guī)范只考慮薄膜內(nèi)力的作用。

4　結(jié)語

通過運用ABAQUS對地震作用下的鋼板倉進行時程分析與規(guī)范結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)軟件計算出的倉壁應(yīng)力情況基本小于按規(guī)范計算，說明儲料與倉壁的摩擦作用以及儲料的剛度對地震中的能量起耗散作用;有限元計算考慮到了地震中儲料的振動對倉壁環(huán)向應(yīng)力的影響、儲料的沉降以及薄殼結(jié)構(gòu)彎曲內(nèi)力對倉壁應(yīng)力的影響而規(guī)范對此卻并未涉及。

參考文獻:

［1］GB 50322—2011，糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］GB 50884—2013，鋼筒倉技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］谷尚玲．大型鋼板庫抗震性能分析［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2012．

［4］于洋．鋼筋混凝土圓筒倉倉壁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析［D］．西安:西安科技大學(xué)，2012．

［5］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析實例詳解［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［6］胡聿賢．地震工程學(xué)［M］．北京:地震出版社，2006．

On seismic role of large floor-stand steel silo

Liu ZhenhuaFu YingjuanWang TaoZhang Zhen
(School of Civil Engineering and Water Conservancy，Shandong University，Jinan 250061，China)

Abstract:Combining with some floor-stand cement steel silo project，the paper adopts the finite element software ABAQUS to establish the threedimension silo model，adopts the time-procedure method to undertakes the seismic analysis on the steel silo，and explores the anti-seismic performance of the steel silo according to the design regulations of the steel silo，so as to provide some reference for the anti-seismic design of the floor-stand steel silo．

Key words:floor-stand steel silo，ABAQUS，time-procedure analysis

作者簡介:劉振華(1963-)，男，博士，副教授;付迎娟(1989-)，女，在讀碩士;王濤(1990-)，男，在讀碩士;張震(1992-)，女，在讀碩士

收稿日期:2015-10-24

文章編號:1009-6825(2016)01-0050-02

中圖分類號:TU352．11

文獻標識碼:A