大直徑筒倉雙層頂蓋空間力學(xué)性能分析

胡亞民，師先銀，劉小培，張曉麗

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著我國(guó)糧食倉儲(chǔ)建設(shè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段，建設(shè)現(xiàn)代化的高標(biāo)準(zhǔn)糧倉成為新的要求，通過全面采用機(jī)械化、信息化、節(jié)能、高效及環(huán)保的倉儲(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步，積極發(fā)展綠色、安全的儲(chǔ)糧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)糧倉規(guī)范化、專業(yè)化、精細(xì)化、生態(tài)儲(chǔ)糧的“四化”建設(shè)、安全管理、安全儲(chǔ)糧[1]。

大直徑筒倉直徑通常為25～30 m，由于跨度大，倉頂多采用單錐頂結(jié)構(gòu)形式以減少材料投資，施工方法通常為高空支模方式，形成單層的圓錐薄殼結(jié)構(gòu)，倉頂設(shè)備均采用露天設(shè)置，且倉頂預(yù)留預(yù)埋孔洞較多，容易產(chǎn)生漏雨、漏氣等現(xiàn)象，隔熱效果差，倉內(nèi)溫度高，外部設(shè)備銹蝕嚴(yán)重[2-4]。為滿足糧倉儲(chǔ)糧需求，增加糧倉設(shè)施的耐候性能，通過采用全現(xiàn)澆混凝土雙層頂結(jié)構(gòu)形式，倉頂蓋板為上頂板梁板結(jié)構(gòu)，下底板板圓錐形無肋薄殼，形成空間結(jié)構(gòu)，中間空腔部分，其保溫、隔熱、防雨性能較同類型倉庫有較大改善，鋼筋混凝土倉頂蓋整體抗震性能好，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保儲(chǔ)糧的目標(biāo)[5-7]。新型倉頂蓋結(jié)構(gòu)形式與單層元錐頂薄殼結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的手工計(jì)算難以分析空間體系構(gòu)件的內(nèi)力情況，針對(duì)該雙層頂蓋，本文利用大型通用有限元ABAQUS 對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析評(píng)估。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

本研究以某糧食儲(chǔ)備庫大直徑筒倉項(xiàng)目為實(shí)例，采用有限元ABAQUS 進(jìn)行空間分析，結(jié)合施工、使用不同工況分析，通過多計(jì)算手段復(fù)核，保證結(jié)構(gòu)的安全性。大直徑筒倉設(shè)計(jì)基本信息為筒倉內(nèi)徑29.0 m，散糧平均裝糧高度40.5 m，倉壁壁厚320 mm，混凝土強(qiáng)度為C35，采用HRB400 鋼筋。儲(chǔ)料按小麥考慮，單倉倉容20 000 t。整體采用平底架空結(jié)構(gòu)形式，倉頂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙層蓋結(jié)構(gòu)形式，其中，上頂板為梁板結(jié)構(gòu)，下底板為圓錐形無肋薄殼，錐頂厚180 mm，形成整體空間結(jié)構(gòu)。原筒倉結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)信息如下?？拐鹪O(shè)防類別：丙類；抗震設(shè)防烈度：7 度；基本地震加速度：0.1g；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；抗震等級(jí)：二級(jí)；特征周期：0.45 s；場(chǎng)地類別：Ⅱ類。雙層頂蓋如圖1 所示。

圖1 雙層頂蓋剖面圖

1.2 有限元模型

采用ABAQUS 通用有限元軟件對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行整體建模數(shù)值分析。倉壁及錐頂均采用S4R 殼單元，錐頂上環(huán)梁、下環(huán)梁、其他梁柱構(gòu)件等均采用B31 梁?jiǎn)卧猍8]，有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型圖

1.3 荷載及工況

綜合考慮雙層頂蓋在正常使用階段及施工階段兩個(gè)工況，對(duì)雙層頂蓋在施工采用分級(jí)加荷和正常使用階段兩種工況下的受力性能進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真分析，確定上層頂蓋對(duì)下層錐頂?shù)氖┕び绊?，以及整體形成后雙層頂蓋在正常使用階段的受力性能。①施工階段?？紤]上層頂蓋分步施工，底層錐頂達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，二層均布施工面荷載為15 kPa。②正常使用情況下。設(shè)計(jì)荷載考慮倉頂自重、操作荷載、糧倉測(cè)溫電纜吊掛等荷載，活載取5 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 施工階段應(yīng)力分析

2.1.1 底層錐頂應(yīng)力分析

底層錐頂在徑向和環(huán)向內(nèi)力作用下的應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 混凝土應(yīng)力圖

（1）徑向方向。下環(huán)梁與錐板交接處板受負(fù)彎矩，即板底受壓、板面受拉，此處應(yīng)力為4.88 MPa（受壓），2.12 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.73×10-4，已超過混凝土峰值應(yīng)變）；上環(huán)梁與錐板交接處正彎矩，此處板底混凝土受拉、板面受壓，應(yīng)力值為0.99 MPa（受拉），5.99 MPa（受壓）；中間層則全部受壓，且整體壓應(yīng)力較小，最大為2.79 MPa。

（2）環(huán)向方向。錐板應(yīng)力沿環(huán)向自上環(huán)梁至下環(huán)梁由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉。板底混凝土應(yīng)力為1.43 MPa（受壓），0.81 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）；板頂混凝土應(yīng)力為2.80 MPa（受壓），1.71 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）；中間層混凝土應(yīng)力為2.09 MPa（受壓），1.23 MPa（受拉，靠近下環(huán)梁處）。

2.1.2 頂部平頂內(nèi)力分析

頂部平頂內(nèi)力分布如圖4 所示。在荷載作用下，平頂板徑向彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負(fù)彎矩，最大值為10.53 kN·m，板正彎矩為7.32 kN·m，位于平頂跨中；環(huán)向彎矩分布同徑向類似，彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負(fù)彎矩，最大值為7.76 kN·m，板正彎矩為6.43 kN·m，位于平頂跨中。

圖4 平頂內(nèi)力圖

2.1.3 整體性能指標(biāo)對(duì)比分析

施工階段，錐頂板及平頂?shù)膽?yīng)力計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)性能如表1 所示。在上述施工工況下，圓錐基本處于抗壓狀態(tài)，混凝土的壓應(yīng)力最大值為5.99 MPa，小于其抗壓強(qiáng)度指標(biāo)；由于錐頂邊緣構(gòu)件整體影響，混凝土最大拉應(yīng)力為2.19 MPa，但頂板與倉壁交接處及頂板跨中拉應(yīng)變均超過峰值拉應(yīng)變，說明該處拉應(yīng)力已處于下降階段，實(shí)際拉應(yīng)力應(yīng)大于C35 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 施工階段各構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果表 單位：MPa

2.2 正常使用階段應(yīng)力分析

2.2.1 底層錐頂應(yīng)力分析

底層錐頂在正常使用階段，徑向和環(huán)向內(nèi)力作用下的應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 混凝土應(yīng)力圖

（1）徑向方向。與板彎矩相對(duì)應(yīng)，下環(huán)梁與錐板交接處板受負(fù)彎矩，即板底受壓、板面受拉，此處應(yīng)力為10.76 MPa（受壓），1.205 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.09×10-4）；上環(huán)梁與錐板交接處正彎矩，此處板底混凝土受拉、板面受壓，應(yīng)力值為1.69 MPa（受拉），11.62 MPa（受壓）；中間層則全部受壓，最大為5.14 MPa（錐板與上環(huán)梁交接處）。

（2）環(huán)向方向。錐板應(yīng)力沿環(huán)向自上環(huán)梁至下環(huán)梁由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉。板底混凝土應(yīng)力為3.44 MPa（受壓），1.64 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.38×10-4，靠近下環(huán)梁處）；板頂混凝土應(yīng)力為5.35 MPa（受壓），0.94 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.50×10-4，靠近下環(huán)梁處）；中間層混凝土應(yīng)力為3.82 MPa（受壓），2.06 MPa（受拉，拉應(yīng)變?yōu)?.50×10-4，靠近下環(huán)梁處）。

2.2.2 頂部平頂內(nèi)力分析

頂部平頂正常使用階段內(nèi)力分布如圖6 所示。頂板徑向彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負(fù)彎矩，最大值為9.99 kN·m，板正彎矩為5.10 kN·m，位于平頂跨中；頂板環(huán)向彎矩分布同徑向類似，彎矩最大值出現(xiàn)在平頂邊緣處，為板面負(fù)彎矩，最大值為10.40 kN·m，板正彎矩為5.95 kN·m，位于平頂跨中。

圖6 平頂內(nèi)力圖

2.2.3 整體性能指標(biāo)對(duì)比分析

正常使用階段，錐頂板及平頂?shù)膽?yīng)力計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)性能如表2 所示。在上述使用荷載作用下，鋼筋各向應(yīng)力值均較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料強(qiáng)度；混凝土的壓應(yīng)力最大值為11.62 MPa，小于其抗壓強(qiáng)度指標(biāo)；而混凝土在平頂與倉壁交接處及平頂與倉壁交接處存在板面負(fù)彎矩，該部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力值達(dá)到2.15 MPa，略低于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但平頂與倉壁交接處及平頂與上環(huán)梁交接處拉應(yīng)變均超過C35 混凝土峰值拉應(yīng)變，故實(shí)際拉應(yīng)力超過C35 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可局部采取加強(qiáng)筋措施。

表2 正常使用階段各構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果表 單位：MPa

通過整體分析采取加強(qiáng)措施，在混凝土拉應(yīng)力較大部位一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加配筋，以減小混凝土應(yīng)力；在滿足配筋率要求的前提下，建議板內(nèi)（徑向和環(huán)向）配筋采用較小直徑鋼筋，且鋼筋間距不宜超過150 mm；對(duì)于錐板或平頂在支座處的負(fù)彎矩位置，板面構(gòu)造鋼筋應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求，且在滿足構(gòu)造要求的前提下，可適當(dāng)增加構(gòu)造配筋；下環(huán)梁可采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，以減小結(jié)構(gòu)在環(huán)向拉力作用下的混凝土環(huán)向拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值分析，對(duì)大直徑筒倉雙層頂蓋在施工和正常使用階段兩種工況的受力性能進(jìn)行分析。研究表明，在施工階段，處于傳統(tǒng)計(jì)算的單錐殼狀態(tài)，設(shè)計(jì)荷載與施工兩種工況的混凝土應(yīng)力均未超過其強(qiáng)度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，考慮施工分步加載較大，但在受力較大部位（錐板與上、下環(huán)梁交接處）混凝土拉應(yīng)力接近其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，需要加強(qiáng)局部位置的抗拉能力；在使用階段，兩種工況下混凝土拉應(yīng)力在相應(yīng)位置均已超過其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即在該位置會(huì)產(chǎn)生裂縫兩種工況范圍不同，應(yīng)采用包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)于大直徑雙層頂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)采用有限元輔助設(shè)計(jì)的方法，整體分析，針對(duì)相應(yīng)位置采取配筋加強(qiáng)、控制裂縫的措施，彌補(bǔ)常規(guī)計(jì)算的不足。