預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土儲煤筒倉有限元分析

汪 紅,李曉文,康靈果,汪 榮

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055;2.陜西省第六建筑工程公司,陜西 咸陽 712000)

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土儲煤筒倉有限元分析

汪 紅1,李曉文1,康靈果1,汪 榮2

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055;2.陜西省第六建筑工程公司,陜西 咸陽 712000)

為研究鋼筋混凝土儲煤筒倉預(yù)應(yīng)力部分受力性能和整體結(jié)構(gòu)抗震性能,分析預(yù)應(yīng)力有限元模擬方法的可行性,采用ANSYS軟件對電廠新建的儲煤圓形筒倉結(jié)構(gòu)建立有限元模型;采用對倉壁和漏斗壁施加平均應(yīng)力的方法,對預(yù)應(yīng)力筒倉進行非震和地震作用下整體受力分析。結(jié)果表明,筒倉采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可以有效控制裂縫,預(yù)應(yīng)力筒倉具有良好的抗側(cè)性能;在水平地震作用下,位于洞口邊緣附近的筒壁部分和壁柱部分豎向力增加較大,設(shè)計中應(yīng)予以考慮。使用平均應(yīng)力法模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉的作用是可行的。

儲煤筒倉結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力;有限元分析;地震作用

0 前 言

隨著生產(chǎn)需求的不斷提高,儲煤筒倉朝著大型化的趨勢發(fā)展[1,2]。設(shè)計人員習慣上把萬噸級容量的筒倉稱為大型筒倉。我國的大型儲煤筒倉大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在貯料荷載的作用下,倉壁和漏斗壁的環(huán)向拉力較大,為滿足正常使用階段抗裂驗算的要求,往往需要增加倉壁和漏斗壁的截面積,盡管如此,倉壁的裂縫開展仍難以控制在合理的范圍內(nèi)[3]。因此,設(shè)計人員提出采用預(yù)應(yīng)力倉壁和漏斗壁,充分利用混凝土的抗壓強度和高強鋼絲、鋼鉸線抗拉強度高的特點,對倉壁和漏斗壁施加預(yù)應(yīng)力,用高強度鋼材來承擔倉壁和漏斗壁的環(huán)拉力,防止開裂,達到減小壁厚,節(jié)省大量混凝土和鋼材的目的[4]。

然而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土儲煤筒倉受力復(fù)雜,如何在有限元模型中施加預(yù)應(yīng)力,使之能方便、有效的模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉的作用,從而準確研究預(yù)應(yīng)力筒倉結(jié)構(gòu)的整體受力性能和抗震性能,保證計算結(jié)果真實可靠,成為設(shè)計人員關(guān)注的一個問題。

通過對一直徑為22 m的大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土儲煤筒倉結(jié)構(gòu)進行有限元分析。采用對倉壁和漏斗壁施加平均應(yīng)力的方法模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉結(jié)構(gòu)的作用,研究該模擬方法的可行性,以及預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的作用。通過地震反應(yīng)分析研究了預(yù)應(yīng)力筒倉的抗震性能[5]。

1 工程背景

以某電廠新建的儲煤圓形筒倉為原型,該筒倉內(nèi)徑22 m,高度44.5 m,倉壁、漏斗壁和筒壁厚 0.4 m,壁柱0.8 m×0.8m;倉下支承結(jié)構(gòu)形式為筒壁與內(nèi)柱共同支撐。抗震設(shè)防烈度7°,場地類別Ⅱ類,地表動峰值加速度0.10 g,設(shè)計地震分組為第三組;基本風壓w50=0.50 kN/m2,場地粗糙度B類。

2 預(yù)應(yīng)力筒倉模型建立

該預(yù)應(yīng)力儲煤筒倉結(jié)構(gòu)模型采用自下而上的方法建立。倉壁、漏斗壁、筒壁及平臺板采用殼單元模擬;平臺梁、懸臂梁及倉頂縱橫梁等采用梁單元模擬。筒壁和壁柱底部采用固結(jié)。有限元模型見圖1。

2.1 模型參數(shù)

儲煤密度 1 000 kg/m3,堆積角40°,筒倉堆煤充滿系數(shù)0.9;煤對混凝土的摩擦系數(shù)靜態(tài)為0.90,動態(tài)為0.50,彈性模量為0.207×104MPa,泊松比取 0.29。此外筒倉倉壁考慮200 kg/m2的原煤氧化引起的爆炸壓力。

圖1 有限元模型

混凝土強度等級采用C40,普通鋼筋采用HRB335,預(yù)應(yīng)力筋采用 φs15.2鋼絞線,fptk=1 860 MPa,摩擦系數(shù)為 μ=0.12,k=0.004。根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》(GB 50077-2003)[6],該儲煤筒倉分別按淺倉和深倉進行計算。

2.2 荷載取值

根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》[6],本次分析所考慮的荷載如表1所示。

表1 模型荷載

2.3 預(yù)應(yīng)力模擬

該圓形儲煤筒倉在倉壁及漏斗壁上布置預(yù)應(yīng)力鋼筋,設(shè)計采用單根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋排列的配筋方案,張拉方式為兩端張拉,在筒倉倉壁的四周均勻?qū)ΨQ設(shè)置四個扶壁(錨固肋),預(yù)應(yīng)力筋兩個半圓組成一環(huán),錨于沿筒壁等距離分布的四根扶壁中相對的兩根扶壁上。預(yù)應(yīng)力鋼筋束的包角為180°,沿豎向相鄰的一環(huán)預(yù)應(yīng)力筋錨固于另外兩根扶壁上,使環(huán)向預(yù)應(yīng)力更為均勻。

無粘結(jié)環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋對混凝土的作用為一定分布范圍的徑向壓力,從而使混凝土產(chǎn)生環(huán)向壓力,因此預(yù)應(yīng)力筋沿環(huán)向變化的預(yù)應(yīng)力對混凝土施加的環(huán)向預(yù)壓作用變化影響較小。雖然每環(huán)預(yù)應(yīng)力在張拉端和預(yù)應(yīng)力筋中段損失值不同,但在預(yù)應(yīng)力施工過程中,相鄰環(huán)張拉位置交錯,這就使得預(yù)應(yīng)力在一定高度范圍內(nèi)可以按平均取值。因此本文考慮在相同的配筋范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力作用值采用相鄰環(huán)平均值作為相應(yīng)部位的面壓力施加。

利用材料力學薄壁圓筒的計算方法,取單位高度(1 m)的倉壁或漏斗壁進行計算,把倉壁或漏斗壁從中間剖分為兩個半圓,剖面上的平均面壓力可以表示為:

式中:F為單位高度(1 m)內(nèi)由預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的總的有效預(yù)應(yīng)力F=σpcAp;A為單位高度(1m)剖面面積,A=1000×d,d為倉壁或漏斗壁的直徑,按實際情況取值。

文獻[3]建立預(yù)應(yīng)力筒倉模型時,使用桿單元Link8來模擬預(yù)應(yīng)力筋,然后通過對預(yù)應(yīng)力筋施加初始應(yīng)變來模擬預(yù)應(yīng)力筋對筒倉的作用,初始應(yīng)變計算如下:

式中:σcon為張拉控制應(yīng)力。σcon=0.75fptk=1 395 N/mm2;Es為預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量,取1.95×105N/mm2。

作者認為該方法建模復(fù)雜,需要對預(yù)應(yīng)力鋼筋準確定位,而且初始應(yīng)變的計算沒有考慮預(yù)應(yīng)力損失,因此不適合廣泛推廣應(yīng)用于設(shè)計實踐。

3 預(yù)應(yīng)力筒倉整體受力分析

筒倉有限元模型建立好之后,先不對倉壁和漏斗壁施加預(yù)應(yīng)力,進行荷載標準組合下的整體結(jié)構(gòu)受力分析,研究普通混凝土筒倉結(jié)構(gòu)倉壁和漏斗壁的應(yīng)力分布情況。計算結(jié)果見圖2。

圖2 倉壁和漏斗壁有限元分析結(jié)果

采用平均應(yīng)力模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉結(jié)構(gòu)的作用,進行荷載標準組合下整體結(jié)構(gòu)受力分析,研究預(yù)應(yīng)力模擬方法的可行性和預(yù)應(yīng)力對筒倉倉壁和漏斗壁的作用。計算結(jié)果見圖3。

通過圖2和圖3倉壁和漏斗壁環(huán)向拉力對比可以看出,未施加預(yù)應(yīng)力和施加預(yù)應(yīng)力之后,筒倉相應(yīng)截面的環(huán)向拉力大小變化趨勢是相同的,符合實際情況,說明采用平均應(yīng)力模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉的作用是可行的。

筒倉結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力作用后,倉壁和漏斗壁大部分處于受壓狀態(tài),只有局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力對減小倉壁和漏斗壁環(huán)向拉力有顯著的作用,從而可以有效控制筒倉裂縫,滿足了筒倉結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

圖3 預(yù)應(yīng)力倉壁和漏斗壁有限元分析結(jié)果

4 預(yù)應(yīng)力筒倉結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

4.1 模態(tài)分析

對預(yù)應(yīng)力儲煤筒倉分為空倉和滿倉兩種工況進行模態(tài)分析,得出其自振頻率(見表2)和振型(見圖4和圖5)。

表2 筒倉結(jié)構(gòu)的自振頻率(Hz)

從表2中可以看出,該預(yù)應(yīng)力儲煤筒倉空倉時第一頻率為4.67Hz,滿倉時第一頻率為2.73Hz,說明貯料對筒倉結(jié)構(gòu)振動特性有很大的影響。在正常生產(chǎn)中,儲煤筒倉不會經(jīng)常處于滿載狀態(tài),所以,筒倉的自振頻率在2.73～4.67 Hz范圍內(nèi)變化。

圖4 空倉時筒倉結(jié)構(gòu)部分振型

圖5 滿倉時筒倉結(jié)構(gòu)部分振型

從圖4和圖5中可以看出,筒倉結(jié)構(gòu)在空倉和滿倉時前兩階振型均為水平平動,結(jié)構(gòu)底部的洞口使結(jié)構(gòu)在X方向的整體剛度減小,因而結(jié)構(gòu)的第1振型表現(xiàn)為X向的平動?？諅}結(jié)構(gòu)第3振型表現(xiàn)為平臺板的豎向振動,滿倉結(jié)構(gòu)第3振型則表現(xiàn)為倉壁的扭曲振動,直到第12階振型才表現(xiàn)為平臺板的豎向振動,說明筒倉的貯料對結(jié)構(gòu)影響顯著。在地震反應(yīng)分析中,考慮最不利工況,對滿倉時的筒倉結(jié)構(gòu)進行地震反應(yīng)分析。

4.2 地震反應(yīng)分析

根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》[6]和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—93)[7],筒倉結(jié)構(gòu)計算地震作用時僅需考慮水平地震作用的效應(yīng),其計算宜采用振型分解反應(yīng)譜法。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)[8],對于振型分解反應(yīng)譜法,振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》,構(gòu)筑物的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)襯和固定設(shè)備自重標準值和可變荷載組合值之和。本次分析分為兩個主軸方向即X和Z向的水平地震作用分析。

本次反應(yīng)譜分析選擇的振型組合方法為CQC法。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,考慮15階振型進行振型反應(yīng)譜法計算。結(jié)構(gòu)的前15階振型頻率值大約為2.5～10.0 Hz之間,即周期為0.1～0.4 s之間。結(jié)合規(guī)范規(guī)定,得出地震影響系數(shù)方程為:

倉壁和漏斗壁在地震作用下的環(huán)向力如表3所示。

表3 地震作用下倉壁和漏斗壁環(huán)向力

根據(jù)計算結(jié)果,水平地震作用對筒倉平臺梁的彎矩值影響不大;在水平地震作用下,筒壁部分和壁柱部分的豎向力有較大的增加,筒壁和壁柱的最大豎向壓力出現(xiàn)在洞口邊緣附近,因此,筒倉結(jié)構(gòu)的底部洞口邊緣構(gòu)件在設(shè)計過程中應(yīng)給予重視。

另外,本文還對結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形進行了計算分析研究,得到其整體變形特征:結(jié)構(gòu)的水平變形主要由地震作用產(chǎn)生,而對結(jié)構(gòu)的豎向變形和平臺梁、板的撓度均無很大的影響,影響也不大;該筒倉結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)變形性能,雖然底部洞口影響了結(jié)構(gòu)的空間整體性能,但是只要對洞口加強約束,依然可以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

5 結(jié) 論

(1)通過筒倉結(jié)構(gòu)倉壁和漏斗壁施加平均預(yù)應(yīng)力來有效模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉結(jié)構(gòu)的作用,對某大直徑預(yù)應(yīng)力儲煤筒倉結(jié)構(gòu)進行有限元分析,結(jié)果表明倉壁和漏斗壁大部分處于受壓狀態(tài),只有局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力可以有效控制筒倉裂縫,滿足筒倉結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

(2)通過未施加預(yù)應(yīng)力和施加預(yù)應(yīng)力之后的筒倉倉壁和漏斗壁環(huán)向拉力對比分析,表明采用平均應(yīng)力模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉的作用是可行的,比對預(yù)應(yīng)力筋施加初始應(yīng)變模擬預(yù)應(yīng)力對筒倉作用更適合推廣應(yīng)用,可為以后類似工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計和分析提供依據(jù)。

(3)通過對預(yù)應(yīng)力筒倉結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,可知貯料對筒倉結(jié)構(gòu)振動特性有很大的影響。在正常生產(chǎn)中,筒倉的自振頻率在2.73～4.67 Hz范圍內(nèi)變化。由于筒倉結(jié)構(gòu)底部的洞口使結(jié)構(gòu)在X方向的整體剛度較弱,因而結(jié)構(gòu)的第1振型表現(xiàn)為X向的平動。

(4)該預(yù)應(yīng)力筒倉結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)變形性能,筒倉地震反應(yīng)分析表明水平地震作用對筒倉預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)部分的環(huán)向拉力沒有顯著影響,而筒壁部分和壁柱部分的豎向力有較大的增加,出現(xiàn)在洞口邊緣附近,因此,筒倉結(jié)構(gòu)的底部洞口邊緣構(gòu)件在設(shè)計過程中應(yīng)予以重視。

[1]周永強,高政國.巨型貯煤筒倉有限元分析[J].工業(yè)建筑,2007,37(增刊):351-355.

[2]周家駿,等譯.國際筒倉設(shè)計研究論文集[C]//北京:煤炭工業(yè)出版社,1987:12-13.

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[6]GB 50077-2003.鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2004.

[7]GB 50191-93.構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1994.

[8]GB 50011-2001.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

Finite Element Analysis of Prestressing Reinforced Concrete Coal Silo

WANG Hong1,LI Xiao-wen1,KANG Ling-guo1,WANG Rong2
(1.College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.No.6Construction Engineering Company of Shaanxi Province,Xianyang,Shaanxi712000,China)

The finite element model for prestressing reinforced concrete circular coal silo with large diameter is built by ANSYS software,in which the average stress method is used to simulate the prestressed load on silo wall and inclined wall effectively.The mechanical analysis for the prestressing silo is carried out under normal load and earthquake action to study the mechanical performance of prestressing components,the seismic performance of structures and the feasibility of simulating the prestressing load.The results show that the prestressing can make the crack of the silo be controllable in a reasonable range,and the prestressing silo has a good anti-lateral performance.The average stress method is feasible for simulating the prestressed load and in the prestressed design and analysis of the silo structure.

coal silo structure;prestressing;finite element analysis;earthquake action

TU375

A

1672—1144(2010)02—0117—04

2009-12-26

2010-03-04

汪 紅(1977—),女(漢族),陜西西安人,碩士研究生,研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)抗震理論與設(shè)計方法。