钢筋混凝土带隔板圆筒仓的温度作用分析.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 8年 6月 华 中 科技 大 学学 报( 城 市科学 版) J o f HUS I 、 ( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo1 25 No 2 J u n 2 0 0 8 钢筋混凝 土带隔板 圆筒仓 的温度作用分析 徐文胜 ， 郭文增 ( 1 华 中科技大学a 土木工 程与力学学院 ；b 控制 结构湖北省重点实验室 ，湖北武汉4 3 0 0 7 4 2 武 汉天兴洲道桥 投资开发有限公 司 ， 湖北 武 汉4 3 0 0 1 5 ) 摘 要： 钢筋混凝土带隔板 圆筒 仓 由于其特殊 的结构形式 ， 在温度作用下结构 内力 与普 通圆筒仓会有 很大 的不 同， 而规范对这 种筒仓 的温度应 力尚未做 出具体 规定 。 本 文采用有限元软件对这种筒仓在水 泥熟 料温度作用下 仓壁和隔板温度应 力的分布情况进行 了详细分析 ， 供设计 和研究 参考。 关键词 ： 钢筋混凝土 ； 带 隔板圆筒仓 ； 温度应 力 ； 有 限元 分析 中图分类号 ： TU2 7 9 7 4 6 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 8 7 - 0 4 筒仓是储存各种散料的特种结构 ， 常用于： 【 = 业 建筑 的生产 附属 设 施 ， 是 水 泥 工 业 生产 中 的重 要构 筑物 。近 年来 ， 为 满 足水泥 生 产工 艺 的需 要 ， 并 节 约用 地 ， 节省 投资 ， 许 多 中小 型水 泥厂 开始 采 用带 隔板 的钢 筋混 凝 土 圆筒仓 1 。这 种 筒仓 由于 其特殊的结构形式 ， 在温度作用 下结构 内力与普 通圆筒仓有很大不同。尤其是当仓 内贮存高温水 泥熟料时 ， 其温度应力计算很重要。 而我 国现行的 筒仓规 范对 这 种筒 仓 的温度应 力 计 算 尚未做 出具 体 规定 2 。 为此 ， 本 文对 钢筋 混凝 土 带“ ” 字 形 隔 板 的 圆筒仓 受 内外 温差 所产 生 的温 度应 力进 行 有 限元分析， 以供工程设计和相关研究参考。 1 计算模型 某 钢筋混 凝 土带 隔板 圆筒 仓 ， 筒 壁支 撑 ， 内径 d 一8 m， 仓壁 计 算高 度 H 一1 6 m， 壁厚 h = = = 0 3 m， 隔板厚 h 一0 4 m， 漏 斗高 4 0 m， 漏斗 底 开 口 半径 1 0 m。分析时忽略仓顶对筒仓仓壁的约束 作 用 ， 并认 为筒 壁底 端 固接 ， 筒仓 模 型 如 图 1 。 本 文 利 用 ANS YS对 该 筒 仓 进 行 热 应 力 分 析 。ANS YS提 供 了直 接 法 和 间接 法 l_ 3 两 种 分 析 热 应力 的方 法 ， 本 文 采用 后 者 进 行 热 一结 构 耦 合 计 算 ， 即 先 采 用 常 规 热 单 元 八 节 点 六 面 体 S Ol I D7 O进行 热 分析 ， 然 后 将 热单 元 转 换 为 相应 的结 构单 元 S Ol I D 4 5 ， 并 将 热 分 析求 得 的节 点 温 度 作 为 体荷 载施 加 到 模 型 上 再 进 行 结 构 应 力 分 析 。 筒 仓 实体模 型 采用 扫掠 网格划 分 ( VS WE E P ) 功 能来 划分 网格 ， 共有 1 0 4 9 2个 六 面体 单 元 。 图 1 筒仓模型 图 2荷载工况 筒 仓 材料 参数 ： 混 凝 土强度 等 级 C 3 0 ， 弹性模 量 E 一3 、 0 1 0 N mm ， 泊松 比 0 1 6 6 7 ， 线膨胀 系数 口 一1 0 1 0 一 C。 2筒仓温度分布的计算 带 “ 一 ” 字形 隔板 的圆筒仓 根据 贮 料 的使用 情 况 ， 可 按 两 种 工 况 荷 载 组 合 考 虑 ， 即工 况 1 ： 一 格 满 料 ， 一 格 空 ； 工况 2 ： 两 格 均 满 料 ， 如 图 2所 示 。 本文分别计算在这两种不利情况下 ， 仓 内高温水 泥熟 料所 引起 的温度 应力 。 取靠近简仓仓壁且厚度等于壁厚的水泥熟料 作为隔热层 ， 按平壁结构的稳定 热传 导原理计算 仓 壁 内外 表 面的 温差 4 ， 如 图 3 所 示 。 水 泥 熟 料冷 却后 的温 度取 为 t y 一1 O 0 C， 仓 外 冬季 大气 温度 取 为 t 一一2 O C， 仓 壁和 隔热 层 内外 表 面 的 吸热 、 敢 热系数分别 为 一3 3 ， a k = = = 2 O ， 热传 导系数 一 1 O O， 九一 1 3 4 E s 3 。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 O l 一 0 7 作者 简介 ： 徐文胜 ( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 湖北武汉 人， 工程师 博士研究 生， 研究 方向为结 构损 伤检测 与寿命 评价 it a l y w o l f 1 6 3 C O ln 维普资讯 8 8 华中科技大学学报 ( 城市科学 版) 图 3平 壁 结 构 的稳 定 热 传 导 2 1 1 - 况 1筒仓 的温 度分 布 假定 在该 工况 下 ， 筒仓 一格 空 ， 一 格 内装 满 水 泥熟料 。 则两格之间存在热传递 ， 当达到热平衡状 态时 ， 空格内气体通过仓壁散发出的热量等于该 部分气体通过隔板吸收的热量 。设此时空格内气 体温度为 t ， 则 H 一 丌鲁 H ( 其 中： R。 一 1十 h 2 十 h 2 十 1一o 7 8 , 为 隔 热 层 和 隔 板 的 总 热 阻 ； R o2 去 + + 去 一 o 3 2 4 ， 为 仓 壁 ( 无 隔 热层 ) 的 总热 阻 。由式 ( 1 ) 可得 乙一5 1 。 为便于程序计算 ， 按热阻等效将隔热层 的影 响折算 为仓 壁和隔板 表面的等效吸热系数 和 ： 嘶 = 1 ( 1 h i-1 3 o 3 一 1 ( 1 h 2 1 2 3 2 这样 ， 在程序中输入这些系数和环境温度( f ， t 和 t 。 ) 进行 热 分析 就 可得 到筒仓 的温度 分布 。 2 2 工 况 2筒 仓 的温 度分布 在水 泥生产 中， 出窑熟料一般不直接入水 泥 磨 ， 而是要按其质量 、 立升重等的高低分别入库 ， 搭 配使 用 。 假 定 在工 况 2下 ， 筒仓 两格 内装 满 不 同 质量的水泥熟料。 采用和工况 1同样的方法 ， 在程 序 中输入等效 吸热系数( ， a ； ) 和环境温度 ( f 和 t k ) 求 出筒仓 的温度分布。 3 温度应 力计算及分析 通 过 热分 析求 出温度 分 布之后 转换 单元 类 型 进行 结 构分 析 ， 得 到筒 仓 的温度 应力 。 考 虑到 温差 的时间特征 ， 混凝土会 出现徐变 ， 从而引起应力松 弛， 计算 内外 温差作用时 ， 取应 力松弛系数 K一 0 6 5 。温 度 为 I O O C时 ， 混凝 土弹性模 量折减 系 数 一0 7 5 。本文仅 给出筒仓仓壁和隔板的温度 应 力分 析 。 3 1仓壁 应 力分 析 温度作用引起的仓壁应力主要为环向应力和 竖向应力， 径 向应力很小 。 取仓壁底端所在水平面 为 H 一0 ， 可得 到_-0 。 ， 士 3 O 。 ， 6 O 。 和 9 O 。 ( 逆 时 针 为正 ) 仓 壁 截 面 的环 向应 力 和竖 向应 力 的分 布情 况 ， 如 图 4 7 所 示 ， 图 中应 力是 外壁 的应 力 。 对于工况 2 ， 因其对称性 ， 可仅取_-0 。 ， 3 0 。 ， 6 0 。 和 9O 。 。 ( 1 )仓壁 环 向应 力 l 8 1 6 l 4 1 2 日1 0 蠢 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 l 6 应力 MP a 图 4 工况 1 仓壁外壁环 向应力 分布 l 8 l 6 l 4 l 2 l O 星8 6 4 2 o o 2 4 6 8 l o l 2 1 4 1 6 应力 MP a 图 5 工况 2 仓壁外壁环 向应 力分布 外壁环 向受拉 ， 最大环 向拉应 力出现在外壁 顶 端 ( 与 隔板 交接 处 ) 。 内壁主 要 为环 向受 压 ， 在贮 有 熟料 的 内壁 的底 部 及靠 近 隔板 处环 向压应 力较 大 ， 最 大 环 向压应 力 ： 工 况 1出现 在 H 一 1 4 m 内 壁靠 近 隔 板处 ； 工 况 2出现 在 内壁 底部 。 从 图 4 5 可 以看 出 ： 贮 有 熟料 的外壁 环 向应 力 比空 格 外 壁 的环 向应力 大 得 多 ； 在仓 壁 中部 H 一 2 1 3 m 范 围 内 ，_- 3 0 。 截 面 的外 壁 环 向应 力 较 大 ； 在 壁 顶 和壁底 ， 截 面_-O 。 ( 即仓 壁 与 隔板交 接 处 ) 的外 壁 环 向应 力较 大 ， 且 在仓 壁 顶 部 H 一 1 5 1 6 m范围内， 该截面的外壁环向应力急剧增 大 ， 出现 了应 力集 中 。 两 种工 况 相 比 ， 在 仓 壁 中部 ， 外 壁 最 大 环 向拉 应 力 ( 工 况 1为 6 6 2 MP a ， 工 况 维普资讯 维普资讯 9 O 华 中科技大学学报 ( 城市科 学版) 2 0 0 8 年 小时 ， 筒仓温度应力值会有折减。 建议在筒仓 出现 较大温度拉应力处 ， 设计时酌情考虑增大配筋。 尤 其是在隔板与仓壁交接处， 由于两者之间的约束 作用， 高温贮料引起的温度应力不容忽视 。 ( 2 ) 对于仓壁的温度应力 ， 两格均贮满热贮料 ( 工 况 2 ) 比一格 空 ， 一 格贮 满 热贮 料 ( 工 况 1 ) 不 利 。 仓壁的环向应力沿圆周方向分布不均匀， 在仓 壁 中部， 与隔板成 3 O 。 角左右 的熟料侧仓 壁截面 有较 大 的环 向拉应 力 ； 在壁 顶 和壁底 ， 由于隔板 对 仓壁的约束作用 ， 与隔板交接处截面的环 向拉应 力较 大 。最 大竖 向拉 应力 出现 在 外壁 底部且 距 壁 底一 定距 离处 。 ( 3 ) 对于隔板的温度应力， 工况 1较不利。在 该工况下 ， 隔板 x 向应力在隔板 中部分布均匀， 在 隔板 上 下 两端 出现 较 大 拉应 力 ； 竖 向 ( Z 向 ) 应 力 在熟 料 侧 隔板 壁 中部 出 现较 大 压 应 力 ， 在 另一 侧隔板壁顶部和底部范围内出现较大拉应力 。 ( 4 ) 在 仓 壁和 隔板 交接处 的外壁 顶端 ， 以及 隔 板底端 ( 漏斗 口) 出现了应力集中现象， 设计时应 引起 注意 。 1 2 3 3 3 4 3 5 3 参考文献 李 世达钢筋 混 凝土 带 隔板 圆 筒仓 仓 壁设 计 J 建筑结构 ， 1 9 9 6 ， ( 3 ) ： 2 3 2 9 GB 5 0 0 7 7 2 0 0 3 ， 钢筋混凝土筒仓设 计规范I s 张朝 晖AN S YS 8 0热分 析教程与实 例解析 M 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 5 孔德 润 ， 薄维 明直径 4 0 m 圆筒煤 仓的温度 作用研 究 J 特种结构 ， 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 3 2 - 3 8 韩重庆6 0 m直 径水泥熟料筒仓 温度作用研 究 J 工业建筑 ， 2 0 0 0 ， 3 0 ， ( 4 ) ： 5 8 6 0 S t ud y o f Te mp e r a t u r e Ef f e c t o n Re i nf o r c e d Co nc r e t e Ci r c u l a r S i l o wi t h Pa r t i t i o n X W s he ng ， GUO W z e ng ( 1 a S c h o o 1 o f Ci v i 1 En g i n e e r i n g a n d M e c h a n i c s； b Hub e i Ke y La b o r a t or y o f Co nt r o 1 St r uc t ur e，H UST ，W uha n 43 0 0 74，Chi na； 2 W u h a n Ti a n x i n g z h o u Ro a d a n d B r i d g e I n v e s t me n t C o Lt d，W u h a n 4 3 0 0 1 5 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：Due t o t h e p a r t i c ul a r s t r uc t u r a 1 s t yl e of t he r e i nf or c e d c on c r e t e c i r c ul a r s i l o wi t h p a r t i t i o n， i t s t e mpe r a t ur e s t r e s s i s q ui t e di f f e r e nt f r o m t h e o r d i n a r y o ne，wh i l e t h e c o de f o r s i l o de s i gn do e s n t i n c l u de s pe c i f i c r e gu l a t i o ns wi t h r e s pe c t t o t h e pr o bl e m y e t U t i l i z i n g t he s o f t wa r e ANSYS，t he pa p e r a n a l y z e d t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e s i l o wa l 1 a n d p a r t i t i o n o f t h e s i l o u n d e r t h e t e mpe r a t ur e l oa d o f c e m e nt c l i n ke r i n de t a i l s t o p r o v i de r e f e r e nc e f or de s i g n a nd r e l a t i v e r e s e a r c h Ke y wo r d s：r e i n f o r c e c o n c r e t e；c i r c u l a r s i l o wi t h p a r t i t i o n；t e mp e r a t u r e s t r e s s ；F EA 维普资讯