大直径筒仓双层顶盖空间力学性能分析.pdf

现代食品XIANDAISHIPIN11/粮食机械FoodProcessingMachinerydoi:10.16736/41-1434/ts.2023.19.003大直径筒仓双层顶盖空间力学性能分析Space Mechanical Performance of Large Diameter Silo Double Roof 胡亚民，师先银，刘小培，张晓丽（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）HU Yamin,SHI Xianyin,LIU Xiaopei,ZHANG Xiaoli(Research and Engineering(Zhengzhou)Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)摘 要：大直径筒仓是一种大空间新型钢筋混凝土筒仓，仓顶盖多采用圆锥壳结构形式。为适应南方防雨、设备防护、隔热等问题，结合实际工程，提出一种适用于大直径筒仓的双层顶盖空间结构形式。基于有限元模拟，对其施工阶段和正常使用阶段两种工况下的力学性能进行数值分析，揭示其受力机理，优化结构设计方案，提出了双层顶盖的计算要点和设计建议。关键词：大直径筒仓；双层顶；圆锥顶结构；力学性能Abstract：As a common new type of silo with large diameter,the silo top mostly adopts cone-top structure.In order to solve the problems of difficult construction and long period,a double roof space structure for large diameter silo is put forward.Based on the finite element simulation,the mechanical properties of the double roof under the construction stage and the normal use stage are numerically analyzed,the stress mechanism is revealed,the structural design scheme is optimized,and the calculation points and design suggestions are put forward.Keywords：large diameter silo;double roofs;cone-roof;mechanical performance中图分类号：TU359随着我国粮食仓储建设进入高质量发展新阶段，建设现代化的高标准粮仓成为新的要求，通过全面采用机械化、信息化、节能、高效及环保的仓储设施，推动行业进步，积极发展绿色、安全的储粮技术，实现粮仓规范化、专业化、精细化、生态储粮的“四化”建设、安全管理、安全储粮1。大直径筒仓直径通常为 25 30 m，由于跨度大，仓顶多采用单锥顶结构形式以减少材料投资，施工方法通常为高空支模方式，形成单层的圆锥薄壳结构，仓顶设备均采用露天设置，且仓顶预留预埋孔洞较多，容易产生漏雨、漏气等现象，隔热效果差，仓内温度高，外部设备锈蚀严重2-4。为满足粮仓储粮需求，增加粮仓设施的耐候性能，通过采用全现浇混凝土双层顶结构形式，仓顶盖板为上顶板梁板结构，下底板板圆锥形无肋薄壳，形成空间结构，中间空腔部分，其保温、隔热、防雨性能较同类型仓库有较大改善，钢筋混凝土仓顶盖整体抗震性能好，实现了绿色环保储粮的目标5-7。新型仓顶盖结构形式与单层元锥顶薄壳结构不同，传统的手工计算难以分析空间体系构件的内力情况，针对该双层顶盖，本文利用大型通用有限元 ABAQUS 对其力学性能进行综合分析评估。1 计算模型1.1 工程概况本研究以某粮食储备库大直径筒仓项目为实例，采用有限元 ABAQUS 进行空间分析，结合施工、使作者简介：胡亚民（1964），男，本科，高级工程师，研究方向为粮食仓储结构。现代食品XIANDAISHIPIN12/粮食机械Food Processing Machinery用不同工况分析，通过多计算手段复核，保证结构的安全性。大直径筒仓设计基本信息为筒仓内径 29.0 m，散粮平均装粮高度 40.5 m，仓壁壁厚 320 mm，混凝土强度为 C35，采用 HRB400 钢筋。储料按小麦考虑，单仓仓容 20 000 t。整体采用平底架空结构形式，仓顶采用现浇钢筋混凝土双层盖结构形式，其中，上顶板为梁板结构，下底板为圆锥形无肋薄壳，锥顶厚 180 mm，形成整体空间结构。原筒仓结构基本设计信息如下。抗震设防类别：丙类；抗震设防烈度：7 度；基本地震加速度：0.1g；设计地震分组：第一组；抗震等级：二级；特征周期：0.45 s；场地类别：类。双层顶盖如图 1 所示。15051.50046.033600图 1 双层顶盖剖面图1.2 有限元模型采用 ABAQUS 通用有限元软件对原设计进行整体建模数值分析。仓壁及锥顶均采用 S4R 壳单元，锥顶上环梁、下环梁、其他梁柱构件等均采用 B31 梁单元8，有限元模型如图 2 所示。ZXY图 2 有限元模型图1.3 荷载及工况综合考虑双层顶盖在正常使用阶段及施工阶段两个工况，对双层顶盖在施工采用分级加荷和正常使用阶段两种工况下的受力性能进行了有限元数值仿真分析，确定上层顶盖对下层锥顶的施工影响，以及整体形成后双层顶盖在正常使用阶段的受力性能。施工阶段。考虑上层顶盖分步施工，底层锥顶达到设计强度，二层均布施工面荷载为15 kPa。正常使用情况下。设计荷载考虑仓顶自重、操作荷载、粮仓测温电缆吊挂等荷载，活载取 5 kPa。2 结果与分析2.1 施工阶段应力分析2.1.1 底层锥顶应力分析底层锥顶在径向和环向内力作用下的应力分布如图 3 所示。（1）径向方向。下环梁与锥板交接处板受负弯矩，即板底受压、板面受拉，此处应力为4.88 MPa（受压），2.12 MPa（受拉，拉应变为 1.7310-4，已超过混凝土峰值应变）；上环梁与锥板交接处正弯矩，此处板底混凝土受拉、板面受压，应力值为 0.99 MPa（受拉），5.99 MPa（受压）；中间层则全部受压，且整体压应力较小，最大为 2.79 MPa。现代食品XIANDAISHIPIN13/粮食机械FoodProcessingMachinery（2）环向方向。锥板应力沿环向自上环梁至下环梁由受压逐渐转为受拉。板底混凝土应力为 1.43 MPa（受压），0.81 MPa（受拉，靠近下环梁处）；板顶混凝土应力为 2.80 MPa（受压），1.71 MPa（受拉，靠近下环梁处）；中间层混凝土应力为 2.09 MPa（受压），1.23 MPa（受拉，靠近下环梁处）。（a）底层混凝土应力图（b）中间层混凝土应力图（c）顶层混凝土应力图图 3 混凝土应力图2.1.2 顶部平顶内力分析顶部平顶内力分布如图 4 所示。在荷载作用下，平顶板径向弯矩最大值出现在平顶边缘处，为板面负弯矩，最大值为 10.53 kNm，板正弯矩为 7.32 kNm，位于平顶跨中；环向弯矩分布同径向类似，弯矩最大值出现在平顶边缘处，为板面负弯矩，最大值为 7.76 kNm，板正弯矩为 6.43 kNm，位于平顶跨中。（a）径向内力 （b）环向内力图 4 平顶内力图现代食品XIANDAISHIPIN14/粮食机械Food Processing Machinery2.1.3 整体性能指标对比分析施工阶段，锥顶板及平顶的应力计算结果及相应性能如表 1 所示。在上述施工工况下，圆锥基本处于抗压状态，混凝土的压应力最大值为 5.99 MPa，小于其抗压强度指标；由于锥顶边缘构件整体影响，混凝土最大拉应力为 2.19 MPa，但顶板与仓壁交接处及顶板跨中拉应变均超过峰值拉应变，说明该处拉应力已处于下降阶段，实际拉应力应大于 C35 混凝土抗拉强度标准值。2.2 正常使用阶段应力分析2.2.1 底层锥顶应力分析底层锥顶在正常使用阶段，径向和环向内力作用下的应力分布如图 5 所示。表 1 施工阶段各构件应力分析结果表 单位：MPa类别分析位置下环梁支座或平顶支座（负弯矩区）上环梁支座或平顶跨中（正弯矩区）性能指标径向环向径向环向ft(ftk)fc(fck)fy(fyk)锥顶板混凝土板底-4.880.810.99-1.431.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板中-0.981.23-2.79-2.091.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶2.121.71-5.99-2.801.57（2.2）16.7（23.4）360（400）钢筋板底-33.1213.136.01-10.211.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶12.7711.56-33.34-10.691.57（2.2）16.7（23.4）360（400）平顶混凝土板底-4.82-3.142.001.721.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板中-0.51-0.481.010.631.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶2.192.12-3.23-2.691.57（2.2）16.7（23.4）360（400）钢筋板底-24.73-16.8614.3412.221.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶32.8421.40-17.24-15.971.57（2.2）16.7（23.4）360（400）（a）底层混凝土应力图（b）中间层混凝土应力图（c）顶层混凝土应力图图 5 混凝土应力图现代食品XIANDAISHIPIN15/粮食机械FoodProcessingMachinery（1）径向方向。与板弯矩相对应，下环梁与锥板交接处板受负弯矩，即板底受压、板面受拉，此处应力为 10.76 MPa（受压），1.205 MPa（受拉，拉应变为 4.0910-4）；上环梁与锥板交接处正弯矩，此处板底混凝土受拉、板面受压，应力值为1.69 MPa（受拉），11.62 MPa（受压）；中间层则全部受压，最大为 5.14 MPa（锥板与上环梁交接处）。（2）环向方向。锥板应力沿环向自上环梁至下环梁由受压逐渐转为受拉。板底混凝土应力为 3.44 MPa（受压），1.64 MPa（受拉，拉应变为 1.3810-4，靠近下环梁处）；板顶混凝土应力为 5.35 MPa（受压），0.94 MPa（受拉，拉应变为1.5010-4，靠近下环梁处）；中间层混凝土应力为 3.82 MPa（受压），2.06 MPa（受拉，拉应变为 1.5010-4，靠近下环梁处）。2.2.2 顶部平顶内力分析顶部平顶正常使用阶段内力分布如图 6 所示。顶板径向弯矩最大值出现在平顶边缘处，为板面负弯矩，最大值为 9.99 kNm，板正弯矩为 5.10 kNm，位于平顶跨中；顶板环向弯矩分布同径向类似，弯矩最大值出现在平顶边缘处，为板面负弯矩，最大值为 10.40 kNm，板正弯矩为 5.95 kNm，位于平顶跨中。2.2.3 整体性能指标对比分析正常使用阶段，锥顶板及平顶的应力计算结果及相应性能如表 2 所示。在上述使用荷载作用下，钢筋各向应力值均较小，远远小于其材料强度；混凝土的压应力最大值为 11.62 MPa，小于其抗压强度指标；而混凝土在平顶与仓壁交接处及平顶与仓壁交接处存在板面负弯矩，该部位产生的拉应力值达到 2.15 MPa，略低于抗拉强度标准值，但平顶与仓壁交接处及平顶与上环梁交接处拉应变均超过C35混凝土峰值拉应变，故实际拉应力超过 C35 混凝土抗拉强度标准值，可局部采取加强筋措施。（a）径向内力 （b）环向内力图 6 平顶内力图 表 2 正常使用阶段各构件应力分析结果表 单位：MPa类别分析位置下环梁支座或平顶支座（负弯矩区）上环梁支座或平顶跨中（正弯矩区）性能指标径向环向径向环向ft(ftk)fc(fck)fy(fyk)锥顶板混凝土板底-10.761.641.693-3.441.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板中-1.112.06-5.14-3.821.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶1.210.94-11.62-5.351.57（2.2）16.7（23.4）360（400）钢筋板底-81.7032.5312.09-20.221.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶43.0128.76-67.36-20.881.57（2.2）16.7（23.4）360（400）平顶混凝土板底-4.66-5.181.421.991.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板中-0.66-0.830.941.401.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶2.152.16-2.12-2.361.57（2.2）16.7（23.4）360（400）钢筋板底-24.57-26.878.2613.741.57（2.2）16.7（23.4）360（400）板顶39.0855.65-12.49-14.081.57（2.2）16.7（23.4）360（400）通过整体分析采取加强措施，在混凝土拉应力较大部位一定范围内适当增加配筋，以减小混凝土应力；在满足配筋率要求的前提下，建议板内（径向和环向）配筋采用较小直径钢筋，且钢筋间距不宜超过150 mm；对于锥板或平顶在支座处的负弯矩位置，板面构造钢筋应满足相应规范要求，且在满足构造要求的前提下，现代食品XIANDAISHIPIN16/粮食机械Food Processing Machinery可适当增加构造配筋；下环梁可采用预应力技术，以减小结构在环向拉力作用下的混凝土环向拉应力。3 结论本文基于数值分析，对大直径筒仓双层顶盖在施工和正常使用阶段两种工况的受力性能进行分析。研究表明，在施工阶段，处于传统计算的单锥壳状态，设计荷载与施工两种工况的混凝土应力均未超过其强度指标的标准值，考虑施工分步加载较大，但在受力较大部位（锥板与上、下环梁交接处）混凝土拉应力接近其抗拉强度标准值，需要加强局部位置的抗拉能力；在使用阶段，两种工况下混凝土拉应力在相应位置均已超过其抗拉强度标准值，即在该位置会产生裂缝两种工况范围不同，应采用包络设计。对于大直径双层顶结构，设计应采用有限元辅助设计的方法，整体分析，针对相应位置采取配筋加强、控制裂缝的措施，弥补常规计算的不足。参考文献1 揣君，项鹏飞，许启铿，等.粮食库存数量动态监测技术研究现状与进展 J.粮油食品科技，2023，31（2）：33-40.2 郭呈周，段锦茹，庞瑞，等.装配式 RC 浅圆仓仓顶结构设计关键技术研究 J.混凝土，2020（12）：111-117.3 郭建行.大直径筒仓仓顶施工支撑体系设计与施工关键技术研究 D.邯郸：河北工程大学，2022.4 张晓丽.钢筋混凝土筒仓仓顶稳定性分析 J.低温建筑技术，2019，41（10）：93-96.5 孙智.40 m 大直径筒仓仓顶薄壳结构稳定性研究J.矿业工程，2019，17（3）：61-63.6 祁正亚，冯硕，范渭东，等.大直径筒仓储粮性能探讨 J.粮油仓储科技通讯，2022，38（2）：10-13.7 卢鼎鑫.大直径钢筋混凝土筒仓仓顶结构设计探讨 J.煤炭工程，2012（6）：28-30.8 庞瑞，闫勇勇，王振清，等.钢筋混凝土圆形浅仓仓顶结构优化设计研究 J.河南工业大学学报（自然科学版），2018，39（1）：98-103.4 龚刘闯，裘骏凯，徐鹏程，等.氮气气调储粮对稻谷品质的影响研究 J.粮食与食品工业，2021，28（4）：22-24.5 李素梅.谷外糙米对整精米品质的影响 J.西部粮油科技，2001，26（3）：27-296 张景渠.浅谈小麦粉指标中灰分的应用 J.现代面粉工业，2016，30（1）：3-4.7 刘慧，周建新，方勇，等.稻谷储藏过程中微生物及品质变化规律研究 J.中国粮油学报，2020，35（1）：126-131.8 杨苞梅，姚丽贤，国彬，等.不同品种荔枝果实游离氨基酸分析 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