地下混凝土筒倉倉壁力學(xué)性能工程試驗(yàn)與數(shù)值分析

金立兵 梁新亞 霍承鼎 王振清 王珍

摘要：地下糧倉可充分利用地下空間，具有較好的防火、防毒、防爆等性能，并能利用淺層地能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧，具有節(jié)能、低損、保證糧食品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)保障糧食安全及可持續(xù)發(fā)展意義重大。采用工程足尺試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法，對(duì)大型地下混凝土筒倉竣工驗(yàn)收前倉壁的力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值分析方法的合理性與有效性，進(jìn)而對(duì)倉壁在最不利荷載工況下的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明：地下混凝土筒倉倉壁內(nèi)力的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好;由于倉壁較厚且與倉底和倉頂間接觸部位剛度較大，導(dǎo)致倉壁內(nèi)外側(cè)徑向應(yīng)力表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律;倉壁徑向應(yīng)力在倉壁底部位置處最高，環(huán)向應(yīng)力在距倉壁頂部約2/3位置處最高;在最不利荷載工況下，倉壁徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力隨深度表現(xiàn)出與實(shí)際工況下相似的變化規(guī)律，且相同深度下應(yīng)力較大。

關(guān)鍵詞：地下筒倉;足尺試驗(yàn);數(shù)值分析;倉壁;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU926 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：20966717（2020）03004006

Abstract：

The underground silos can take full advantages of the underground space， which is of better fireproof， anti-toxicity， explosionproof and other merits. In the meantime， the underground silos can use the shallow geothermal energy to realize quasilow temperature storage. With the advantages of energysaving， lowconsumption and grain qualityensuring， it plays a significant role in ensuring the grain safety and sustainable development of China. The mechanical properties of the silo wall before completion acceptance of large underground concrete silos were studied by the combination of engineering fullscale test and numerical analysis. By comparing the test results with the engineeringscale testing results，， the rationality and effectiveness of the numerical analysis method were verified. Furthermore， the mechanical properties of the silo wall under the most unfavorable load conditions were numerically analyzed. The results show that the internal forces of the numerical simulation results of the silo wall were in good agreement with that of experimental results. Due to the relatively large thickness of the silo wall， and the rigidity of the contact part between the silo wall and the silo bottom and the silo roof， the radial stress on the inside and outside of the silo wall shows the opposite law. The radial stress of the silo wall is highest at the bottom of the silo wall， and the hoop stress is highest at about 2/3 of the position from the top of the silo wall. Under the most unfavorable load conditions， the radial stress and hoop stress of the silo wall show similar changes with the burial depth as in the actual working condition， and the stress is greater at the same depth.

Keywords：underground silo; full scale test; numerical analysis; silo wall; mechanical properties

糧食安全是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國家自立的全局性重大戰(zhàn)略問題。地下糧倉可以利用淺層地能實(shí)現(xiàn)糧食準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏，具有保證糧食品質(zhì)、節(jié)地、節(jié)能、無污染、全壽命周期成本低等突出優(yōu)點(diǎn)[12]。中國從仰韶文化的原始社會(huì)就已經(jīng)開始應(yīng)用地下糧倉（窖）進(jìn)行糧食儲(chǔ)存，在漢、隋、唐、明、清等朝代也均有地下倉窖的遺跡被發(fā)現(xiàn)[3]。至今，中國多數(shù)的省（直轄市、自治區(qū)）都建有地下糧倉。但是，已建成的地下糧倉存在倉容較小、機(jī)械化程度較低、交通不便、建設(shè)受地域限制等缺點(diǎn)，不便于日常生產(chǎn)管理和使用[4]。

其他國家對(duì)地下空間的開發(fā)多用于儲(chǔ)備石油、天然氣等戰(zhàn)略物資以及解決城區(qū)不斷擴(kuò)張、人口不斷增加所造成的土地使用競(jìng)爭(zhēng)激烈的問題[58]。同時(shí)，對(duì)地下工程用高強(qiáng)度混凝土材料、既有地下工程耐久性能評(píng)估與維護(hù)改造等方面進(jìn)行了大量的研究[912]。中國對(duì)地下糧倉的研究主要集中在新倉型的探究、倉壁的受力性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱規(guī)律等方面 [1317]。研究多通過模型試驗(yàn)與數(shù)值分析完成，結(jié)果缺少相應(yīng)工程足尺試驗(yàn)以及其他理論方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)支持。由于數(shù)值分析結(jié)果受人為因素影響較大，故取得結(jié)果的有效性有待驗(yàn)證。

筆者基于工程足尺試驗(yàn)，采用試驗(yàn)研究與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)地下大型混凝土筒倉在竣工驗(yàn)收前倉壁的受力情況進(jìn)行分析研究，從而提出一種能有效分析地下混凝土筒倉受力的數(shù)值分析模型。

1工程試驗(yàn)

1.1工程概況

試驗(yàn)倉位于河南省鄭州市中牟縣萬三路與萬洪路交叉口的金地集團(tuán)糧食物流園區(qū)內(nèi)。工程場(chǎng)地的地質(zhì)情況如表1所示。結(jié)構(gòu)選用強(qiáng)度等級(jí)為C40的自防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P12，倉底下部選用C20的素混凝土墊層，倉壁厚度為300 mm。鋼筋選用HRB400E級(jí)鋼筋。倉體外徑25.6 m，倉底深19.56 m，倉容3 500 t，倉頂覆土深度1.5 m，所處場(chǎng)地的地下水類型為潛水，歷史最高水位-1.0 m[18]。

1.2倉壁內(nèi)力檢測(cè)

1.2.1測(cè)點(diǎn)布置

在試驗(yàn)倉倉壁內(nèi)部鋼筋上沿深度方向每隔2 m位置對(duì)稱安裝鋼筋計(jì)，用于測(cè)量壁內(nèi)鋼筋的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力;在倉壁外部沿深度方向每隔2 m位置安裝壓力計(jì)，用于測(cè)量倉壁所受到的來自外部的水土復(fù)合壓力。鋼筋計(jì)和壓力計(jì)分布如圖1所示。

1.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及結(jié)果

試驗(yàn)選用基康儀器股份有限公司和金土木工程儀器股份有限公司生產(chǎn)的鋼筋計(jì)和壓力計(jì)，型號(hào)、量程以及精度見表2。

2基于實(shí)際工況的倉壁數(shù)值分析

2.1模型建立與邊界條件

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)地下混凝土筒倉結(jié)構(gòu)建模，由于倉壁的厚高比遠(yuǎn)小于1/10，符合殼單元的構(gòu)造要求。所以，模型的倉頂蓋、倉壁、倉底、倉內(nèi)核心支撐筒均選用S4R殼單元建模，倉頂群梁選用梁單元建模。由于倉體的施工采用滑模形式，因此，建立模型時(shí)將倉底與倉壁之間、倉壁與倉頂蓋之間、倉頂蓋與中間支撐筒之間、倉底與中間支撐筒之間均設(shè)置為剛接。并對(duì)地下混凝土筒倉抗浮懸臂部位設(shè)置z向約束，模型如圖4所示。

2.2參數(shù)選擇與施加荷載

混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，密度取2 400 kg/m3，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2015），軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取19.1 N/mm2，混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取1.71 N/mm2，鋼筋混凝土彈性模量取3.25×104 N/mm2，泊松比取0.2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示的地下水位約位于-5.88 m，因此，造成了以地下水位為分界點(diǎn)，倉壁所受側(cè)壓力隨深度變化曲線的斜率發(fā)生較大變化。為方便對(duì)地下倉模型施加荷載，取深度為-5.76 m設(shè)置的測(cè)點(diǎn)為分界點(diǎn)，對(duì)倉壁壓力計(jì)實(shí)測(cè)側(cè)壓力的數(shù)據(jù)分兩段進(jìn)行線性擬合，擬合公式為

2.3結(jié)果對(duì)比分析

通過有限元軟件模擬計(jì)算得到倉壁的內(nèi)力云圖，結(jié)果如圖5所示。提取倉壁沿z向?qū)?yīng)鋼筋計(jì)位置的環(huán)向和徑向應(yīng)力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

采用擬合側(cè)壓力作為荷載進(jìn)行倉壁內(nèi)力計(jì)算，由于擬合壓力值與實(shí)測(cè)值在-7.760 m測(cè)點(diǎn)處偏差相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)較大，因此，該位置處的環(huán)向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在相對(duì)較大的偏差，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值都吻合較好，驗(yàn)證了模型的有效性。

根據(jù)倉體結(jié)構(gòu)和受力形式，倉底與倉壁、倉壁與倉頂接觸部位可視為剛接，同時(shí)，在這兩個(gè)連接部位設(shè)有環(huán)梁，剛度較大。而且倉壁厚度相對(duì)較大，造成倉壁徑向應(yīng)力呈現(xiàn)出外側(cè)與內(nèi)側(cè)規(guī)律相反的情況;而環(huán)向則由于不受彎矩影響或影響較小，兩側(cè)的環(huán)向應(yīng)力總體呈現(xiàn)出變化規(guī)律基本一致的狀態(tài)。

通過分析得到，徑向應(yīng)力在倉壁外側(cè)的頂部位置最先表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，約在距倉壁頂部1/6位置處轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并在距倉壁頂部2/3處拉應(yīng)力達(dá)到最大，后隨深度增加，再次轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且隨深度增加而增大;徑向應(yīng)力在倉壁內(nèi)側(cè)頂部至底部所顯現(xiàn)的規(guī)律與外側(cè)呈相反規(guī)律。徑向應(yīng)力在倉壁底部位置最高。

環(huán)向應(yīng)力在倉壁外側(cè)的頂部位置最先表現(xiàn)為較小的壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸變大，大約在距倉頂2/3位置處，壓應(yīng)力達(dá)到最大，后隨深度增大持續(xù)減小;環(huán)向應(yīng)力在倉壁內(nèi)側(cè)頂部至底部應(yīng)力變化規(guī)律同外側(cè)基本一致，不同點(diǎn)為倉壁內(nèi)側(cè)的頂部以及底部應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。環(huán)向應(yīng)力在距倉頂2/3位置最高。

3最不利荷載工況下倉壁數(shù)值分析

3.1施加荷載

以未裝糧的試驗(yàn)倉在場(chǎng)地地下水達(dá)到歷史最高水位下所受到水土復(fù)合壓力作為最不利荷載工況[19]。在此荷載工況下對(duì)倉壁內(nèi)力進(jìn)行研究。根據(jù)地質(zhì)情況，對(duì)倉壁所受水土復(fù)合壓力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)倉壁側(cè)壓力取值的相關(guān)研究，靜止土壓力與主動(dòng)土壓力大小相差不大，而被動(dòng)土壓力與二者相差較大[11]。因此，對(duì)靜止土壓力和被動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，其中，σ1為靜止土壓力，σ2為被動(dòng)土壓力，如圖7所示。

3.2模擬結(jié)果

通過有限元模擬得到工況二倉壁的內(nèi)力云圖如圖8所示。倉壁沿z向?qū)?yīng)鋼筋計(jì)位置的環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在最不利荷載工況下，倉壁徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力隨深度表現(xiàn)出與實(shí)際工況下基本一致的變化規(guī)律，且相同深度下應(yīng)力較大。倉壁徑向應(yīng)力最大值在倉壁底部位置，環(huán)向應(yīng)力最大位置在距倉壁頂部約2/3處。

4結(jié)論

通過工程足尺試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)合的方法對(duì)地下混凝土筒倉竣工驗(yàn)收前倉壁力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對(duì)最不利荷載工況下倉壁的受力進(jìn)行數(shù)值分析，得到以下結(jié)論：

1）通過分析對(duì)比模擬結(jié)果與工程試驗(yàn)結(jié)果，二者能夠較好吻合，驗(yàn)證了所建立模型的合理性。

2）分別對(duì)不同工況下倉壁的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明，倉壁的徑向應(yīng)力在倉壁底部位置最高，環(huán)向應(yīng)力在距倉壁頂部約2/3位置處最高。

3）考慮到大型地下混凝土筒倉在施工以及使用過程中容易受到各施工、運(yùn)輸機(jī)械等荷載作用造成地面超載，從而對(duì)地下糧倉結(jié)構(gòu)安全性能造成不利影響，建議在設(shè)計(jì)時(shí)采用被動(dòng)土壓力作為設(shè)計(jì)用土壓力。參考文獻(xiàn)：

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（編輯王秀玲）