變壁厚鋼筒倉在太陽輻射下結(jié)構(gòu)熱響應研究

馬 越，楊紅霞

(延安大學建筑工程學院，陜西延安716000)

空間鋼結(jié)構(gòu)是一類對太陽輻射較敏感的結(jié)構(gòu)形式[1]，直接暴露在太陽輻射場下會使其產(chǎn)生較大的溫度變形和溫度應力，太陽輻射產(chǎn)生的影響在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段也逐漸受到關(guān)注。筒倉結(jié)構(gòu)作為一種典型的空間薄殼結(jié)構(gòu)，一般建造于較為空曠的港口、工業(yè)廠區(qū)等城市近郊地區(qū)，這使得太陽輻射不會受到其他建筑的遮擋。加之筒倉的薄壁殼體結(jié)構(gòu)外露，而儲料位于筒倉內(nèi)部，所以筒倉結(jié)構(gòu)是一種受太陽輻射影響較大的結(jié)構(gòu)形式。劉紅波等[2]研究了鋼板筒倉在太陽輻射下陰影區(qū)的計算方法，分析了筒倉在加頂蓋和不加頂蓋工況下太陽輻射產(chǎn)生的最不利非均勻溫度場。對設(shè)計中考慮太陽輻射提供了建議。馬越等[3-5]分析了不同參數(shù)對太陽輻射作用下筒倉非均勻溫度場的影響。Manbeck等[6]實測了鋼筒倉在輻射下的溫度場，結(jié)果表明太陽輻射在一天內(nèi)引發(fā)的非均勻溫度場對結(jié)構(gòu)影響顯著。

本文先應用ANSYS APDL語言編制殼體結(jié)構(gòu)在太陽輻射作用下溫度場的分析程序，分析太陽輻射作用下筒倉的溫度場分布。然后將不同太陽輻射下殼體結(jié)構(gòu)的溫度場作為邊界條件，建立熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模型，分析筒倉的應力場。最后通過應力場的分析結(jié)果，對鋼筒倉倉壁的薄殼結(jié)構(gòu)與頂部桁架連接部位及與混凝土基礎(chǔ)連接部位在設(shè)計中考慮太陽輻射的影響提出建議。

1 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型

1.1 鋼筒倉數(shù)值模型

本文以某存儲氧化鋁粉末的鋼筒倉為研究對象。該筒倉高度H=29 m，筒倉的直徑D=28 m。筒倉的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。筒倉的薄壁殼體結(jié)構(gòu)采用變壁厚的鋼板焊接而成，壁厚沿筒倉高度方向的分布如表1所示。筒倉的頂部為大型桁架結(jié)構(gòu)，筒倉上部由于壁厚較薄，設(shè)置周向角鋼加勁肋和豎向鋼板加勁肋。應用ANSYS平臺建立有限元數(shù)值模型，筒倉的殼體結(jié)構(gòu)采用SHELL181單元，加勁肋采用BEAM188單元；桁架弦桿采用BEAM188單元，腹桿采用LINK8單元。為了簡化分析，殼體與混凝土基礎(chǔ)連接采用約束殼體下部所有節(jié)點的轉(zhuǎn)動和位移自由度。殼體上部與桁架連接處將其與桁架的節(jié)點進行耦合。筒倉的儲料荷載計算按《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》[7]確定。筒倉的數(shù)值模型如圖2所示。

表1 筒倉倉壁厚度沿筒倉高度分布表

1.2 太陽輻射模型

本文應用ANSYS APDL語言建立太陽輻射作用下的分析程序，太陽輻射模型采用美國供暖，通風和空氣調(diào)節(jié)工程協(xié)會推薦的晴空模型[8](ASHRAE模型)，但其中參數(shù)采用我國學者修正后的參數(shù)[9]。ASHRAE模型計算入射到結(jié)構(gòu)表面并被吸收的太陽輻射熱流密度由公式(1)確定。由于該筒倉實際工程位于蘭州市，所以本文所有算例模型的地理參數(shù)和氣溫參數(shù)均采用蘭州市的數(shù)值。

Gt=αs(GD+Gd+GR)

(1)

其中GD為直射太陽輻射強度；Gd為水平面上的散射輻射強度；GR為表面太陽反射輻射強度。

2 輻射作用下鋼筒倉溫度場分析

對筒倉在空倉工況和滿倉工況下進行太陽輻射作用下溫度場分析。圖3-圖6為筒倉殼體溫度場的分布圖。在夏至日給出了16時的殼體溫度云圖，此時殼體的溫度最高；在冬至日最高溫度出現(xiàn)在14時。從殼體的溫度云圖可以看出，隨著殼體壁厚變薄，溫度隨之增大。所以在太陽輻射下，殼體最高溫度出現(xiàn)在筒倉的頂部。殼體頂部周向溫度展開圖可以看出，在太陽輻射作用下，最大的周向溫度差將超過30°C，對殼體結(jié)構(gòu)而言，非均勻的溫度分布可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更不利的影響。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可近似取30°C周向溫差計算太陽輻射溫度場。

3 鋼筒倉應力分析

圖7和圖8為太陽輻射作用下筒倉殼體的應力分布圖。從應力沿高度的分布圖可以看出，沒有儲料荷載作用時，筒倉在輻射作用下僅在筒倉殼體的底部和頂部有溫度應力分布，呈顯著的圓柱殼邊界效應。這是由于溫度應力形成的原因，即倉頂桁架和基礎(chǔ)約束殼體溫度變形所造成的。表2還給出了殼體底部在各種工況下最大應力的比較。在滿倉工況下，夏季的豎向應力約為不考慮太陽輻射時的4倍。所以這種因太陽輻射引起的溫度應力值得在設(shè)計中予以重視。從殼體底部的周向應力分布圖即可看出太陽輻射作用造成的溫度應力非均勻分布。在冬季周向溫度應力會從壓應力變化為拉應力；豎向應力和周向應力的變化均超過50 MPa。而對比夏至日和冬至日，可以看出太陽輻射產(chǎn)生的非均勻溫度場在冬季比夏季有更顯著的影響。

表2 倉底最大應力比較

4 結(jié)論

本文建立分析太陽輻射在鋼筒倉上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)響應的耦合模型，即先分析筒倉薄壁殼體結(jié)構(gòu)在太陽輻射作用下產(chǎn)生的溫度場；然后將分析所得殼體溫度場作為邊界條件，應用于殼體結(jié)構(gòu)的應力場分析中，得出太陽輻射在鋼筒倉上所產(chǎn)生的熱響應。

空倉和滿倉工況下，太陽輻射作用均會在殼體上產(chǎn)生非均勻分布的溫度場。在夏季和冬季空倉時，周向的溫差將超過30°C；而由于筒倉內(nèi)部散料的影響，在夏季最大的周向溫差將小于20°C，在冬季最大的周向溫差小于30°C，即冬季太陽輻射的影響比夏季更顯著。

太陽輻射作用產(chǎn)生的溫度應力主要集中于筒倉的頂部和底部，即筒倉殼體結(jié)構(gòu)與倉頂桁架和混凝土基礎(chǔ)連接部分，非均勻分布的周向溫度場導致溫度應力沿周向也呈顯著的非均勻性。與溫度場相似，太陽輻射對應力的影響在冬季更明顯。殼體底部的溫度應力會從拉應力變化為壓應力，這種應力變化在設(shè)計中應給予重視。