柱承式筒倉(cāng)累積損傷及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

楊建勇，柳春光,2，賈玲玲

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；3.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，以及我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，柱承式筒倉(cāng)在糧食儲(chǔ)運(yùn)中有不可替代的作用，其下層空間簡(jiǎn)潔明朗，倉(cāng)下空間通風(fēng)和采光都較好，得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶，地震災(zāi)害對(duì)我國(guó)造成了非常嚴(yán)重的影響，而柱承式筒倉(cāng)作為儲(chǔ)備生命線系統(tǒng)中的重要樞紐結(jié)構(gòu)，一旦破壞，將給國(guó)家和人民帶來(lái)重大的財(cái)產(chǎn)損失。所以對(duì)柱承式糧食筒倉(cāng)抗震性能的研究顯得尤其重要。

近來(lái)年，國(guó)內(nèi)外的專家對(duì)筒倉(cāng)的研究給予了高度的重視，在試驗(yàn)和理論方面取得了很多有意義的成果。在理論方面，趙衍剛等[1]通過(guò)建立接觸矩陣,引入正確的連接條件，解決了散料與倉(cāng)壁的連接問(wèn)題。吳謹(jǐn)?shù)萚2]將倉(cāng)頂建筑為單層或無(wú)倉(cāng)頂建筑按單質(zhì)點(diǎn)體系考慮，對(duì)柱承式筒倉(cāng)進(jìn)行了抗震計(jì)算。肖昭然等[3]利用DEM法建立了相似比為1/40的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)該模型模擬了散料對(duì)倉(cāng)壁的測(cè)壓靜力，與原型筒倉(cāng)通過(guò)Janssen公式計(jì)算值相吻合。敖曉欽等[4]對(duì)大型鋼板筒倉(cāng)荷載計(jì)算及穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較，得到了按我國(guó)規(guī)范計(jì)算的筒倉(cāng)水平壓力及豎向摩擦力總體上比國(guó)外規(guī)范的偏小的結(jié)論。汪紅等[5]利用ANSYS進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土儲(chǔ)煤筒倉(cāng)有限元的分析，表明筒倉(cāng)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(cāng)具有良好的抗側(cè)性能。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)筒倉(cāng)進(jìn)行了試驗(yàn)，也得到了很多有價(jià)值的結(jié)論。Emest C H等[6]對(duì)不同貯料的情況下進(jìn)行了筒倉(cāng)試驗(yàn)，得到了貯料的有效質(zhì)量系數(shù)范圍。Alan W R等[7]通過(guò)試驗(yàn)分析了筒倉(cāng)卸料過(guò)程的影響因素。張華等[8]進(jìn)行了群倉(cāng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)群倉(cāng)的動(dòng)力特性和破壞形式進(jìn)行了詳細(xì)的研究。張大英等[9]通過(guò)制作有機(jī)玻璃試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬研究了筒倉(cāng)在卸料過(guò)程中的測(cè)壓力的分布。

綜上所述，對(duì)于筒倉(cāng)的研究都側(cè)重于貯料對(duì)筒倉(cāng)的靜壓力、卸料過(guò)程貯料對(duì)倉(cāng)壁的動(dòng)壓力以及一次地震作用下筒倉(cāng)的動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)，在實(shí)際的地震中,地震的震級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起至關(guān)重要的作用，但是地震的持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的累積損傷也會(huì)有很大的影響。地震中很多結(jié)構(gòu)在主震作用下并沒(méi)有完全破壞或倒塌，而是在余震作用下，給結(jié)構(gòu)輸入了更多的地震能量，造成了結(jié)構(gòu)的損傷破壞。唐山地震中，柱承式筒倉(cāng)破壞及其嚴(yán)重，28%的圓形筒倉(cāng)和67%的方形筒倉(cāng)都遭到了不同程度的破壞；筒承式筒倉(cāng)的破壞程度較柱承式小，其中很大一部分是在主震作用下并未破壞，而是在一次或多次余震下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷的累積以至破壞。筒倉(cāng)作為儲(chǔ)備生命線工程結(jié)構(gòu)，其破壞勢(shì)必會(huì)對(duì)我國(guó)造成很大的財(cái)產(chǎn)損失，所以對(duì)鋼筋混凝土筒倉(cāng)在地震作用下的累積損傷進(jìn)行較為深入的研究是有必要的，也是勢(shì)在必行的。

1 試驗(yàn)背景

本課題的試驗(yàn)背景是阜新市糧油工貿(mào)總公司遷址重建項(xiàng)目的烘前倉(cāng)，筒倉(cāng)為柱承式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筒倉(cāng)總高為12 m，支撐柱高為6 m，按照筒倉(cāng)容量的80%進(jìn)行裝糧，貯料高度為4.8 m(6×80%)，筒倉(cāng)直徑10 m，倉(cāng)壁厚200 mm；倉(cāng)壁、漏斗壁、環(huán)梁和柱子都采用C30混凝土，受力鋼筋采用HRB400級(jí)、箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋。圖1、圖2為試驗(yàn)原型的立面圖和平面圖。

圖1 柱承式筒倉(cāng)原型結(jié)構(gòu)立面圖

圖2柱承式筒倉(cāng)原型結(jié)構(gòu)平面圖

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 相似關(guān)系

試驗(yàn)原型為混凝土柱承式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)要研究靜態(tài)下貯料對(duì)倉(cāng)壁的壓力以及在滿倉(cāng)工況下結(jié)構(gòu)的累積損傷，在這種情況下，重力對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生重要的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫南嗨脐P(guān)系為：彈性力-重力相似律[10-12]：

(1)

式中：λl為幾何比尺；λE為彈性模量比尺；λρ為密度比尺；λr為慣性半徑比尺；r2=I/A。

首先柱承式筒倉(cāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(1) 根據(jù)柱承式筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，變形比尺和幾何比尺相同，即λl=λr。

(2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配比，暫定微?；炷恋呐浜媳葹椋?/p>

水泥∶沙∶水=1.0∶7.3∶1.6[13]

彈性模量E=3 750 MPa，彈性模量相似系數(shù)為1/8，等模型試塊做彈性試驗(yàn)以后再做調(diào)整。

(3) 鋼筋通過(guò)抗彎和抗剪等效原則進(jìn)行模擬[14]。

(4) 綜合考慮原型結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、模型制作條件以及經(jīng)濟(jì)情況等因素，將模型的幾何相似比尺確定為：λl=1/8。

(5) 保證結(jié)構(gòu)重力不失真，即λg=1，可確定初步采用粉煤灰(λρ=0.7 t/m3～0.8 t/m3)模擬小麥。

試驗(yàn)涉及到的物理量及相似比尺見(jiàn)表1。

表1 柱承式筒倉(cāng)動(dòng)力模型試驗(yàn)相似關(guān)系

2.2 模型的制作

模型的力學(xué)性能主要由模型的制作材料來(lái)決定，因?yàn)槲⒘；炷敛牧辖M成、力學(xué)性能、損傷機(jī)理等方面與普通混凝土有類似之處，是被廣泛用作模型試驗(yàn)仿真材料。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ途陀梦⒘；炷林谱?，材料為水泥沙漿，水泥為325號(hào)硅酸鹽水泥，微?；炷恋呐浜媳萚13]為，水泥∶沙∶水=1.0∶7.3∶1.6?；炷林袖摻畈捎缅冧\鐵絲和鍍鋅鐵絲網(wǎng)模擬，鍍鋅鐵絲規(guī)格為：8#(φ=4 mm)，10#(φ=3.5 mm)；鐵絲網(wǎng)規(guī)格為：10#@50，10#@100。由相似比例系數(shù)計(jì)算得出，λρ=1，原型筒倉(cāng)儲(chǔ)藏的小麥密度為：0.75 t/m3，所以模擬物料的密度也為：0.75 t/m3，模型中選取粉煤灰(λρ=0.7 t/m3～0.8 t/m3)來(lái)模擬物料。

本試驗(yàn)制作一個(gè)柱承式單倉(cāng)結(jié)構(gòu)的微粒混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，總高度?.5 m，柱高為0.75 m，柱截面尺寸為75 mm×75 mm，裝糧高度0.75 m，倉(cāng)壁厚25 mm，漏斗厚31.25 mm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖3。

結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算按照抗彎能力等效原則和抗剪能力等效原則[14]進(jìn)行設(shè)計(jì)：

抗彎能力等效原則：

(2)

抗剪能力等效原則：

(3)

圖3試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2.3 傳感器布置

本試驗(yàn)預(yù)期得到三類數(shù)據(jù)分別為：沿模型高度重點(diǎn)位置處的加速度和應(yīng)變，筒倉(cāng)內(nèi)壁所受到的壓力。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，涉及到的傳感器主要有加速度傳感器、壓力傳感器及?yīng)變片。對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的振動(dòng)和變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定上述傳感器的布置位置。具體布置位置和數(shù)量如下：加速度傳感器沿試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨确较虿贾?個(gè)，壓力傳感器沿筒倉(cāng)倉(cāng)壁內(nèi)側(cè)布置3個(gè)，應(yīng)變片沿筒倉(cāng)高度方向布置3排，每排7個(gè)，共21個(gè)。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 地震動(dòng)輸入

本試驗(yàn)的原型結(jié)構(gòu)在遼寧省阜新市，根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地類別、特征周期等，選擇EI Centro波南北向(南北向)、唐山地震波(南北向)、人造地震波三條地震波，其中唐山波時(shí)長(zhǎng)較短，利用造波軟件得到了一條50 s的人造唐山波，三條地震波的加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 EI Centro波加速度時(shí)程曲線

3.2 試驗(yàn)工況

加載工況分滿倉(cāng)和空倉(cāng)兩種情況，按峰值加速度將地震波進(jìn)行調(diào)幅，逐級(jí)梯度加載。為了模擬主震作用后余震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，峰值加速度加載到0.2g時(shí)，減小工況的峰值加速度模擬余震。加載工況如表2所示。

圖5 人造唐山地震波加速度時(shí)程曲線

圖6 人造地震波加速度時(shí)程曲線

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)

本試驗(yàn)分為空倉(cāng)和滿倉(cāng)兩種情況?？諅}(cāng)工況中最大峰值加速度為0.15g，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)，沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形；滿倉(cāng)工況中，隨著地震動(dòng)峰值加速度的增大，筒倉(cāng)的響應(yīng)也逐漸增大。當(dāng)峰值加速度從0.10g增加到0.20g時(shí)，在柱頂和環(huán)梁連接處以及柱腳出現(xiàn)明顯的裂紋。其中柱頂裂紋以橫向和斜裂紋為主，柱腳裂紋以橫向裂紋為主。減小地震波的峰值加速度為0.10g以模擬余震，結(jié)構(gòu)的裂紋除了在原有的裂紋上有所加大外，還增加了很多新的裂紋，但都集中在柱頂和柱腳，倉(cāng)壁在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。從工況33開(kāi)始增大地震波的峰值加速度，直到結(jié)構(gòu)完全破壞，當(dāng)峰值加速度為0.40g時(shí)，結(jié)構(gòu)的柱頂和柱腳混凝土已經(jīng)完全破壞，裂縫已經(jīng)貫穿，部分柱的柱頂出現(xiàn)混凝土剝落。裂紋和破壞情況見(jiàn)圖7，自振頻率見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8～圖12。

圖7 模型裂縫圖

圖8 不同工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥哉耦l率(滿倉(cāng))

圖9峰值加速度為0.05gEI Centro波作用下模型應(yīng)變時(shí)程曲線(空倉(cāng))

通過(guò)表3可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图尤胭A料后，由于結(jié)構(gòu)重量增加，結(jié)構(gòu)自振頻率減小，表明貯料對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率影響很大。

通過(guò)圖8可以看出，當(dāng)峰值加速度為0.05g、0.10g和0.15g時(shí)，結(jié)構(gòu)自振頻率雖呈下降趨勢(shì)，但變化不大，表明結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)裂紋出現(xiàn)；當(dāng)峰值加速度為0.20g(主震)時(shí)，結(jié)構(gòu)自振頻率驟降，結(jié)構(gòu)頻率從4.05877 Hz降低到了3.22082 Hz，降低了20.65%，在結(jié)構(gòu)柱頂和柱底多處發(fā)現(xiàn)裂縫，表明結(jié)構(gòu)的剛度減小，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，此時(shí)，峰值加速度減小為0.10g以模擬余震，結(jié)構(gòu)的自振頻率又一次驟減，結(jié)構(gòu)頻率從3.22082 Hz降低到了2.33347 Hz，降低了27.55%，結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步減小，表明余震對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷甚至破壞有很大影響，再增加峰值加速度為0.15g、0.20g和0.30g，結(jié)構(gòu)頻率呈下降趨勢(shì)，但變化不大，柱頂和柱底多處出現(xiàn)混凝土斷裂和貫穿裂紋，此時(shí)結(jié)構(gòu)已處于完全破壞狀態(tài)。

由圖9可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诜逯导铀俣葹?.05g時(shí)，應(yīng)變響應(yīng)偏小，應(yīng)變響應(yīng)柱頂為最大，柱底次之，倉(cāng)壁最小，柱頂應(yīng)變?yōu)?.935×10-5；由圖10可以看出，隨著峰值加速度的增加，試驗(yàn)?zāi)Ｐ透魑恢玫膽?yīng)變響應(yīng)都呈增大趨勢(shì)，柱頂增大最為明顯，由2.935×10-5增大到1.179×10-4，而柱底和環(huán)梁增大趨勢(shì)平緩，倉(cāng)壁幾乎呈水平，無(wú)明顯增大。由兩圖可以得出，地震對(duì)柱承式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的環(huán)梁和倉(cāng)壁影響較小，影響最大的為是結(jié)構(gòu)的柱頂和柱底，此為柱承式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。

圖10各峰值加速度EI Centro波作用下模型應(yīng)變(空倉(cāng))

由圖11可以看出，滿倉(cāng)工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)變響應(yīng)同空倉(cāng)工況，也為柱頂最大，柱底次之，倉(cāng)壁最小，柱頂最大應(yīng)變?yōu)?.789×10-5，小于空倉(cāng)工況時(shí)柱頂最大應(yīng)變，這是因?yàn)閭}(cāng)中的貯料是松散材料，黏聚力小，和筒倉(cāng)的運(yùn)動(dòng)存在相位差，限制了筒倉(cāng)振動(dòng)。

當(dāng)峰值加速度為0.20g時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭敵霈F(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，加載工況余0.10g、余0.15g和余0.20g，由圖12可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹敗⒅缀铜h(huán)梁應(yīng)變響應(yīng)都呈增大趨勢(shì)，即使減小峰值加速度為0.10g模擬余震，應(yīng)變響應(yīng)無(wú)明顯減小，增大余震峰值加速度為0.15g、0.20g，模型應(yīng)變響應(yīng)明顯增大，表明余震對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷影響很大，結(jié)構(gòu)的薄弱部位仍為柱頂和柱底，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，倉(cāng)壁的應(yīng)變響應(yīng)都較小，也無(wú)增大趨勢(shì)。

圖11峰值加速度為0.05gEI Centro波作用下模型應(yīng)變(滿倉(cāng))

圖12各峰值加速度EI Centro波作用下模型應(yīng)變(滿倉(cāng))

模型的加速度響應(yīng)是反應(yīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的重要指標(biāo)，通過(guò)布置的6個(gè)加速度傳感器可以得到各工況筒倉(cāng)的加速度響應(yīng)，具體見(jiàn)圖13、圖14，模型結(jié)構(gòu)的加速度隨筒倉(cāng)高度增加而增大，筒倉(cāng)的倉(cāng)壁頂為加速度響應(yīng)最大的部位,這是因?yàn)橥矀}(cāng)的加速度沿高度方向有一定的放大，這種現(xiàn)象稱作鞭梢效應(yīng)[15]；從圖14可以看出，滿倉(cāng)工況下隨著峰值加速度的增加加速度放大系數(shù)也在增大；工況余0.10g、余0.15g和余0.20g的加速度放大系數(shù)較大，其中最大值為4.117， 而當(dāng)峰值加速度為0.30g時(shí)，加速度放大系數(shù)沒(méi)有明顯的增大，結(jié)構(gòu)已發(fā)生較大的塑性變形或已完全破壞，表明地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)造成了一定的損傷影響，結(jié)構(gòu)剛度下降。

圖13 EI Centro波作用下加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖(空倉(cāng))

圖14 EI Centro波作用下加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖(滿倉(cāng))

4 結(jié) 論

(1) 柱承式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞以柱頂和柱底最為嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)束后，柱頂和柱底出現(xiàn)多條貫穿裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞，環(huán)梁和倉(cāng)壁損傷較小，未出現(xiàn)裂縫，柱頂和柱底為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)措施。

(2) 結(jié)構(gòu)在余震作用下自振頻率從3.22082 Hz降低到了2.33347 Hz，下降了27.55%，結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，表明余震使結(jié)構(gòu)的損傷和破壞影響很大。

(3) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募铀俣确糯笙禂?shù)隨著筒倉(cāng)高度在增大，倉(cāng)壁頂比柱底大很多，說(shuō)明倉(cāng)頂有一定程度的鞭鞘效應(yīng)，余震對(duì)加速度放大系數(shù)影響也較大，表明余震結(jié)構(gòu)造成了一定的損傷影響。

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