钢筋混凝土深筒仓环向应力的分析与计算.pdf

江苏建筑 2 0 1 4年第 3 期 ( 总第 1 6 2期 ) 钢筋混凝土深筒仓环向应力的分析与计算 韩兴珍 ． 范进 ( 南京m- r 大学土木工程系。 江苏南京2 1 0 0 9 4 ) 曲 奄 要】 贮 料作用下， 仓壁环向应力 值对筒仓结构设计起控制作用， 为了 深入研究 仓壁环向应力的主要影响因 素和影响 规律 。 采 用有 限元 方法对端部约束 、 高径比、 壁厚 等参数对环 向应力的影 响进行 了分析 ． 分析 结果表 明相 同高度 处的环 向应 力绝对值随着 高径 比的增加 而增加 。 随着壁厚 的增加 而减 小。通过 有限元的计算结果与按我 国筒仓设计 规范的计算结果的 比较表明 ： 贮料作 用下， 环 向应力的 2种计算结果在仓壁 下部 时有 明显 的差别。文章对规范 中环 向应力的计算公式 ． 提 出引 入参数 O t 进行修正 。 并根据数值分析 结果 ． 给 出了 的计算表 达式。 f 关键词1 筒仓； 深仓； 环向应力： 有限元分析： 规范设计公式 【 中图分类- ~ - ] T U 3 7 5 『 文献标识码1 A f 文章编号] 1 0 0 5 — 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 — 0 0 3 1 — 0 3 T h e An a l y s i s a n d Calc u l a t i o n o f Ho o p S t r e s s i n t h e Re i n f o r c e d Co n c r e t e De e p S il o HAN Xi n g - z h e n F AN J i n ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , N a mi n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ， N a mi n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e h o o p s t r e s s i n t h e s i l o w a l l c a u s e d b y s t o r e d ma t e r i a l p r e s s u r e p l a y s a c o n t r o l r o l e i n t h e d e s i g n o f s i l o ．I n o r d e r t o b e t t e r r e s e a r c h t h e ma i n f a c t o r s o f h o o p s t r e s s a n d i n fl u e n c e r u l e s ．Th e e n d— r e s t r a i n t ， r a t i o o f h e i g h t t o d i a me t e r a n d t h i c k n e s s a r e a n aly z e d f o r t h e e f f e c t o f h o o p s t r e s s b y u s i n g t h e F E M． T h e a n aly s i s s h o we d t h a t t h e a b s o l u t e v alu e o f h o o p s t r e s s a t the s a me h e i g h t i n c r e a s e s w i t l l the i n c r e a s e s o f h e i g h t - d i a me t e r r a t i o ，b u t t h e a b s o l u t e v alu e d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e s o f t h e wall t h i c k n e s s ．B y the c o mp a r i s o n b e t w e e n the r e s u l t s c a l c u l a t e d b y the F EM r e s u l t s an d t h e c o d e o f d e s i gn ， i t C an b e c o n c l u d e d t h a t u n d e r t h e a c t i o n o f s t o r e d ma t e ri a 1 ．the e r r o r o f t h e t wo c o mp u t a t i o n al me t h o d s a J ) o u t the h o o p s t r e s s i n the l o w e r w a l l i s o b v i o u s ．Th e s t a n d a r d f o r mu l a o f t h e h o o p s t r e s s i s mo d i fi e d b y i n t rod u c i n g a p a r a me t e r ． Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f n u me ri c al a n aly s i s ， t h e c o mp u t a t i o n al e x p r e s s i o n s o f s i s g i v e n ． Ke y wo r d s：s i l o ； d e e p s i l o ； the h o o p s t r e s s ； fin i t e e l e me n t me t h o d ； s t a n d a r d f o rm u l a 0引 育 筒仓分 为深仓 与浅仓 ， 根据我 国《 钢筋混凝土简 仓设 计 规 范} ( G B 5 0 0 7 7 — 2 0 0 3 ) m ( 下文 简称 “ 筒规 ” ) 1 ． 0 ． 3条规 定 ， 当 筒仓 内贮 料计 算高度与 圆形筒仓 内径或与矩形 筒仓 的短边 之 比大于或等于 1 ． 5时 为深仓 随着我 国现代 化建设需 要 的加 大 ． 大直径 深仓 的应 用越来越被 重视 。矿 业 、 农 业 、 化 工 、 电力等领域 中都广泛运用 了大 直径 钢筋混凝土深仓 ， 它 成 为我国国民经济建设 中一项不可缺少 的构筑 物[2 1 。 依据 “ 筒规 ” 计算 由贮 料压 力引起 的仓 壁环向应力时 ， 是不考虑仓壁 顶部和底部的约束影响 。即按照无矩 理论 来 近似计算 仓壁的环向应力 。随着筒仓 的规模越来越 大以及 技 术进 步 ，要 求仓 壁 内力 计算 也越 来越 精确 。本 文利 用 Mi d a s F e a 软 件建 立简仓模型 ． 分析在贮料 作用下仓壁环 向 应力 的分布 。 并研究高径 比、 壁厚对仓壁环 向应 力的影 响规 律 ． 比较分析有 限元计算结 果与按 “ 筒 规” 计 算方法 的计 算 结果的不 同 ． 对 “ 筒规 ” 中深仓 环 向应 力的计 算引入参 数 进行修正 。 提出建议 的修 正公式 。 并根据数值分析 结果 得出 O t 表达式 。 1 仓蹙环 向应 力主 要影响因素分析 仓壁环 向应力值对筒仓结构设计起控制作用 。 高径 比、 壁厚对仓壁环向应力的分布有影响 ．下 面将建立简仓 模型 进行分析。 1 ． 1 有限元基本模型 以某水泥筒仓为计算模型 ． 该 筒仓 主要参数如下 ： 内径 d = l S m． 计算 高度 H-- 4 ~ 。 壁厚 t = O ． 3 5 m , E = 3 ．2 5 x l 0 7 k N ／ m 2 ， 水 【 收 稿H ~ ／1 1 2 0 1 4 - 0 3 ． 2 0 [ 作者简介】 韩 兴 珍 ， ~ ( 1 9 8 8 一 ) ， 南 京 理 工 大 学 土 木 工 程 系 ， 硕 士 研 究 生 ． 研 究 方 向 为 结 构 工 程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 3 期 ( 总第 1 6 2期 ) 泥重度 ^ y ： 1 6 k N ／ m 3 ， 内摩擦 角 ‘ P = 3 3 o ， 对混凝 土的摩擦系数 p , -- 0 ． 2 。 为了避免单元数过 多和计算过于繁琐 ， 建模时作出一 定的简化 。有限元模 型如 图 l 。 对于两端约束条件采用底部 固结． 顶部 自由端方式 。本文主要分析贮料 载荷对仓壁内力 的影响 。由贮料作用产生的侧压力 P h 。其计算公式如下哪 ： P h = C ~ v p ( 1 一 e ) ( 1 ) k = t a n ( 4 5 。 一 ) ( 2 ) 式 中： C l广 水平压力修正系数 ； 一 贮 料的椎体 中心或者是贮料 的顶 面到所计 算的截 面的距离 ： 贮料 的重力密度 ； p 一贮料 的水平净截面的水力半径 ； 筒仓仓壁和贮料之间的摩擦系数 ； 一 侧 压力系数 ： ‘ p - 一 贮料 的内摩擦 角。 图 l 有限元模型 1 ． 2高径比对环向应力 的影 响 为了探讨 不同高径 比情况下 ．贮料荷载对仓壁 环向应 力的影响。 在基本模型基础上保持内径及其他参数 不变 ． 分 别取高径 比为 1 ．5 、 2 ． O 、 2 ． 2 、 2 ． 5 ， 计 算结果如图 2 。由图 2可 以看出 ， 筒仓仓壁环 向应力值沿高度方向变化趋势一致 ． 即 柏． 3 0 ‘ 等20 ． 1 0 ^ ．1 I l l 2 3 4 5 6 图 2贮料荷载作用下环 向应力随高径 b 的变化 从底部 向上先迅速增加 ． 达到最大环向应力 值后缓慢减少 ， 靠近仓顶位置应力值为零。 随着高径 的增加 ， 相同高度处的 环 向应力绝对值不断增加 ．在内径及其他参数不 变的情况 下 ， 随着 高径 比的增大 ， 仓壁环 向应力最大值不 断增大 ， 且 位 置不 断上移 。 l - 3 壁厚对环 向应力 的影响 文献f 5 1 提 出壁 厚为 0 ．6 m至 0 ． 7 m 为最佳优 化壁厚值 的观点。 在基本模 型基础保 上持其他参数不变 ， 改变仓 壁厚 度 ． 比较 4种仓壁厚度 ： 0 ．6 0 m、 0 ． 6 4 m、 0 ． 6 8 m、 0 ． 7 0 m， 在贮料 作用下 ． 对环 向应力的影响 ． 计算 结果如 图 3 。根据 图 3可 知 ． 随着厚度 的增 加 。 相 同高度的环 向应 力绝对值减小 ， 在 仓底 为环 向压应力 ． 随着高度 上升 ， 逐 渐变化为拉 应力 ， 到 5 m 一 6 m左 右达 到最大拉应力 。 壁厚变化 时 ， 出现最大拉应 力的位置变化不大 柏 ● 3 0． _ 毫 2 o N ● 10 ． 1 n 5 l 如 l l0。I ’如 ’ I ’3 10 3 CYY n 、 图 3 贮料 荷载作用下环 向应力随壁厚的变化 2 规范计算结果与数值分析结果比较 按筒规规定 ， 深仓贮料作 用下 ， 环向应力 S ~ = P h x R ／ t 。 式 中 P ^ 如式( 1 ) 。 R为半径 ， t 为壁厚 。 图 4为基 本计算模 型有 限 元 的计算 与按照 “ 筒规”的计算公式计算 出来的结果 的比 较 ， 在贮料作用下 ． 仓底约束带来 的边缘效应主要影 响范 围 为距离底端 盯 ／ P ( B = V 瓦 ) 【2 J 。由图4可以看出， 在 这一 范围内 2种计算结果有较大 区别 。 有 限元计算时 ， 仓壁 最 大环 向应 力 5 ．3 5 M P a 。 出现 在仓壁 高度 为 4 ． 2 5 m 处 ． 仓底 的环 向应力较小 ．在距仓底一定高度范 围内出现 了环 向压 应力 。 而按照“ 筒规 ” 的无矩理论计算 出来 的仓壁环 向应力 ． 最大环 向拉应力 出现在仓底， 最大拉应力 5 ．4 1 MP a 。与传 统 的无矩理论计算 的最大环 向应力值 比较 ．考虑边缘效应后 最大环 向拉应力值偏小 ，出现的位置也不 同。在仓壁高 度 z ≤ B范围 内， 从仓底 往上 一定距 离 的环 向应力 值 ， 有 限 元计算值 比规范值小 ．继续 向上有部分区域有 限元值超 过 规范值 ． 靠近简仓 中部 2种计算方法值相 差不大 ． 筒仓 上部 有限元值 小于规范值 。图 4中筒仓仓壁 高度 z H I 2时 ． 当 高径 比大于 3 ． 两条曲线会 随着高径 比的增加逐渐重合 。 为了更全 面表达有 限元计算结果与按规范计算结果 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建 筑 2 0 1 4年第 3期( 总第 1 6 2期 ) 4 0 ● 3 0 ． ● 耄 2 0 - N ● 1 0 ． ● ● I 1 2 3 4 5 《 图 4 有限元解与规范解对 比 不同 ，引入参数 d ， n为有限元计算 的环向应力值 S 与按 规范计算的环向应力值 S 的比值 ， 即 a = S ， 5 。 为 了研究 高径 比 、 壁 厚 对 e t 的 影响 ， 贮料 作 用下 。 取 高 径 比为 1 ． 5 、 2 ． O 、 2 ．5 、 3 ． 0 、 3 ． 5时 ，分析壁 厚分别 为 0 ． 6 o m、 0 ． 6 4 m、 0 ． 6 8 m、 0 ． 7 0 m情况下 随高度 的变化 。 如图 5所示 。 根据 图 5可 以 看 出 ， 高径 比不 变时 ， 壁厚 的 改 变对 没 影 响 ： 壁 厚不 变 时 ， 仓 壁下 部的 a值受 高径 比的影 响不 大 。 仓壁上 部 高度 区域 的 a值 随着 高径 比的增加 由小于 l 逐渐 趋于 1 ．在高 径 比大 于 3时， n一1 。在仓壁下部范 围内 。 随着 高度 的变 化规 律 ： 从仓底 开始 急速递 增 ， 最大值 大 于 1 ． 然后 缓慢 递 减， 最后趋于平缓， 逐渐与水平直线 O r．= 1 重合。在深仓仓壁 高度 z ≤耽时 ， 值随 高度的变化几 乎不受 高径 比、壁厚 的影响 ， 本 文对仓壁下部仓壁环 向力计算公式进 行改进 。 在 规范计算公式基础上 。 改进为 ： S a x P ~ < R h ( z ≤ 2 ) ( 3 ) 仓壁下部 范围内 ， 高径 比、 壁厚 会影 响 C t 的取值 。 但相 对于端 部约束 对 的影响 。 高 径 比、 壁 厚对 a的影 响可 以 忽略 。 0 【 只随着高度 的变化 而变化。 仓底约束带来 的边缘效 应主要影响范围为距离底端 邢 ( B = 、 ／ ) ， 在这 部分范 围内 O t 随 高度的变化 幅度较 大 。在 仓壁 高度 B < z ~H r 2内。 a随高度 的变化不 大 ． a逐渐趋 于 1 。依 据上述 数值分析 结果 ， 考虑 l 0 ％的相对误差 ． 通过拟合可 以列参数 的表达式 ： l a = O ． 0 0 3 z LO ． O 7 5 z z + 0 ． 5 4 9 z — 0 ． 2 5 4 f 0≤z ≤刑 i a ： l < ≤ ) ( 4 ) 3 结 论 本文 主要 研究分析 了对深仓设计起控制作用 的环向应 圈 5 a随仓壁 高度 的变 化 力值 。仓壁环 向应力 主要影 响因素包括高经 比、 壁厚等 ． 比 较 了有 限元计算结果 与按 规范计算 结果的不同 ．表明按照 我 国筒仓设计规 范计 算环 向应力值 时 。 会带来 明显 的误 差 。 主要得 出以下结论： ( 1 ) 随着高径 比的增 加 ． 相 同高度处 的环 向应 力绝对值 不 断增 加 ， 在其他参数 不变 的情 况下 。 随着高径 比的增大 ， 仓壁最大环 向应力值不断增大 。 且 位置不断上移。 随着 厚度 的增加 ， 相 同高度 的环向应力绝对 值减小 。 出现最 大拉应 力 的位置变化不大 ( 2 ) 与考虑边缘效应 的环 向应 力相比 。 按规范无矩 理论 计 算的环向应力最大拉应力不仅数值偏大 ．出现最大环 向 应 力值的位置也不同 。 ( 3 ) 对 “ 简规 ” 中深 仓环 向应 力的计算 引入参数 C t 进行 修 正， 提 出建议 的修 正公式 。 并 根据数值分析结果 得出了 q 表 达式 。 参 考文献 【 1 ] G B 5 0 0 7 7 - 2 0 0 3钢筋混凝 土筒仓设 计规 范【 s 】 ． 北京 ： 中国 计 划出版社 ． 2 0 0 3 ． 【 2 】熊俊 ． 大直径预 应力 混凝土 筒仓 设计 方 法研 究【 D 】 ． 东南 大学。 2 0 1 2 ： 1 - 1 0 ． 【 3 】熊俊 ， 孟 少平。 周臻 ． 大直径预应 力混凝 土煤 仓在 内压荷 栽 下的受力分析 Ⅱ 】 ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 2 2 - 2 2 6 ． [ 4 ] Oo i J Y， C h e n J F 。 L o h n ~ t R A， Ro t t e r J M．P r e d i c d o n o f s mfi c wa l l p r e s s u r e s i n c o a l s il o s盯 】 ． Co mt r u c fi o n a n d B u il d i n g Ma t e ri a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 0 9 - 1 1 6 ． f 5 1王瑞． 大型贮煤筒仓在考 虑温度应 力影响下的优化 设计 方案【 D】 ． 武汉理 工大学 ， 2 0 0 9 ： 5 8 - 6 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m