地震作用下鋼筋混凝土筒倉動力特性及變形分析

趙書鋒 尉桂芬

開封大學土木建筑工程學院（475004）

地震作用下鋼筋混凝土筒倉動力特性及變形分析

趙書鋒 尉桂芬

開封大學土木建筑工程學院（475004）

這里運用大型通用有限元軟件ANSYS建立起大型鋼筋混凝土筒倉三維有限元模型，對其進行了動力特性分析和兩組天然波一組人工波的時程分析，分析結果表明結構前四階均為平動，第五階以后出現扭轉，結構在TAFT波作用下位移反應最為強烈，但是最大值仍然滿足規范要求，結構的整體剛度設計合適。為大型或超大型混凝土貯煤筒倉的結構設計提供一些可參考、有價值的數據和建議，供技術人員參考。

筒倉；地震反應；動力特性；時程分析

0 引言

筒倉結構被廣泛用于儲存煤、水泥、糧食、飼料等散料狀材料，在工業生產過程中對于緩沖原料與中間物料、協調生產、配送起到重要作用。隨著經濟的發展和生產規模的擴大,筒倉規模不斷擴大，尤其是煤筒倉正在向著更大、更高、更復雜的方向發展。目前運用于貯煤筒倉的整體分析的理論研究仍存在許多漏洞[1]，這里將運用大型有限元分析軟件ANSYS對開封發電廠一大型筒倉的動力特性和地震作用下的變形進行分析。

1 工程概況

開封市發電廠鋼筋混凝土筒倉直徑100 m，高18 m，壁厚0.7 m，進料口門5.5 m（寬）×6 m（高），環向均勻設置45根扶壁柱，其截面為0.8 m（長）×0.5 m（寬）的壁柱，頂部設置0.8 m（長）×0.5 m（寬）的環梁，基礎采用預應力管狀，其直徑為d=0.8 m，管樁間隔3度，分三排布置沿環向每隔3度設置有3排管樁，其直徑為d=0.8 m，共計360根。上、下部結構通過6.6 m×2.1 m的承臺連成整體。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.2 g，場地類別為II類；倉壁C40鋼筋混凝土,采用HPB300級、HRB400級鋼筋。材料參數見表1。

表1 材料屬性及參數

圖1 有限元模型圖

1.1 單元選取

筒倉側壁采用8節點空間Solid65單元三維空間的不同方向分別設定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數。壁柱和環梁采用BEAM188三維線性有限應變梁單元，預應力管樁采用管單Pipe16單元模擬。計算中考慮了管樁和土體之間的共同工作和整體效應，整個模型共有85 518個單元，94 690個節點，有限單元計算模型如圖1所示。

1.2 計算范圍和邊界條件

考慮樁土相互作用，計算過程中參照有關文獻[2]及工程實例計算深度取30 m（2倍樁長），外邊屆取筒倉外18 m，內邊界取筒倉內38 m，土體的外邊界和土體底部設置即X、Y、Z三個方向位移為0，位移為完全固定約束，而筒倉壁內側土體邊界考慮由于受到貯煤豎向壓力的作用產生豎向位移，將土體內邊界在水平面方向(XOY面)位移為0視為兩向約束。

1.3 筒倉所受到的壓力載荷[3]

散料頂面下h處的側壓力為:

表2 結構前二十階振型固有頻率、周期值

散料頂面下z處的豎向壓力為:

式中，k為側壓力系數，γ為貯煤的重度，h為貯煤的頂端到煤堆底面的距離，根據計算，在此取k= 0.45，γ=13 kN/m3，h=17 m。

2 結構動力特性

結構動力特性計算主要計算了結構的自振頻率、周期以及各階陣型圖，其中表2給出了前十階頻率和周期，圖2為前六階振型圖。

圖2 前六階振型圖

選取有代表性EL-CNENTRO波、TAFT波和上海人工波對結構進行時程分析，調整其峰值加速度符合7度設防要求[4，5]，地震作用下結構頂點位移值見表3，最不利地震波TAFT波作用下位移最大時刻的結構位移云圖如圖3所示。

表3 結構最大位移響應

圖3 TAFT波作用下最大位移時刻結構位移云圖

3 結論

從以上相關的圖表數據分析可以得出以下結論:

1）從結構的前幾階周期可以看出兩兩相近，結構的固有頻率首先出現在剛度較弱的開洞方向，前四階以平動為主，第五階開始出現扭轉，筒倉頂部振動較為明顯，應對此處采取加強措施，適當加大環梁尺寸，由于建模沒有考慮倉蓋的約束，實際會有所改善。

2）在多、罕遇地震作用下，不同的波引起的位移反應不同，其中TAFT波位移反應最為強烈，但是最大位移小于規范要求的H/880,說明結構的剛度和變形是滿足規范要求的。

3）在結構開口處位移相對大，實際結構中此處有環梁與頂蓋的作用,計算模型未予考慮，若考慮其約束作用位移效應會有所減小。

[1]滕錦光,趙陽.大型鋼筒倉的結構行為與設計[J].土木工程學報,2001(4):46～52.

[2]馬超.筒倉結構一地基相互作用動力計算[D].西安:長安大學,2008.

[3]GB 50077-2003,中華人民共和國國家標準,鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].中國計劃出版社,2003.

[4]GB 50191-2012,中華人民共和國國家標準,構筑物抗震設計規范[S].中國計劃出版社,2012.

[5]王錄民,等.鋼筋混凝土立筒群倉結構抗震模型的設計與制作[J].結構工程師,2008,3(6):37～40.