基于ANSYS的鋼筋混凝土筒倉動力特性及地震響應分析

王娜麗 葉公偉

(中冶焦耐(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116085)

1 概述

鋼筋混凝土筒倉作為貯存散粒材料的大型建構筑物，被廣泛的應用在冶金、電力、鋼鐵、農業等工程領域。圓倉較方倉應用廣[1]。圓倉一般分為柱承式和筒承式:柱承式圓倉倉體和筒體剛度相差較大，柱子軸壓比較大，支撐結構超靜定次數低，變形能力有限，地震破壞多由于下部筒體支撐體系抗震性較弱，發生斜拉破壞或扭轉破壞，進而導致筒倉倒塌；筒承式圓倉下部筒體支撐體系剛度較大，筒倉整體抗震性能較好，一般在大容量混凝土圓筒倉應用居多[2,3]。隨著建筑抗震設計要求逐漸嚴格，筒倉的抗震設計也越來越受到重視[4,5]。振型分解反應譜法因其計算簡便、概念明確得到廣泛應用；同時采用時程分析方法進行補充計算對于完善筒倉結構設計方法，提高其抗震設計的安全性和可靠性，確?？拐鹪O防質量也是非常有必要的[3]。

本文以某筒承式鋼筋混凝土單體圓筒倉為例，采用ANSYS有限元軟件建立該筒倉的有限元模型，假定剛性地基：1)對筒倉在空倉、半倉、滿倉三種倉儲狀態進行模態分析，總結不同倉儲狀態對結構振型及自振頻率的影響規律；2)在模態分析的基礎上，對筒倉進行了地震加速度時程分析，提取筒倉位移及應力情況進行研究。

2 計算模型

2.1 工程概況

該鋼筋混凝土圓筒倉為儲煤倉，貯量為8 000 t，總高度43 m，半徑10.5 m，倉壁厚0.38 m，倉下筒體支撐體系高度9.6 m，筒壁、壁柱共同受力，筒體外壁厚0.38 m，內壁厚0.3 m，漏斗壁厚0.3 m，內壁柱截面為0.8 m×1.2 m。筒倉混凝土強度等級為C30，主筋HRB400，抗震設防烈度7度(0.15g)，設計地震分組為第二組。鋼筋混凝土視為均質線彈性，材料參數為：密度2 500 kg/m3，彈性模量30 000 MPa，泊松比0.2。地基采用剛性地基。加速度時程分析的計算荷載包括自重及地震荷載。地震激勵采用抗震設防烈度7度(0.15g)時多遇地震的加速度峰值0.55 m/s2，考慮雙向地震，基于某一實際強震記錄，X方向和Y方向的地震波見圖1。

2.2 ANSYS模型

基于有限元分析軟件ANSYS，該煤倉的倉壁、筒壁、樓板等板類部分采用Shell181模擬，混凝土柱、梁采用Beam188模擬。地震作用下貯料對整個筒倉結構的貢獻主要體現在質量上，其剛度可以忽略不計，因此本文貯料采用附加質量單元Mass21模擬來參與地震反應，根據《鋼筋混凝土筒倉設計標準》[6]規定，取貯料倉儲質量的80%參與地震時程分析。ANSYS計算有限元模型如圖2所示。

3 計算分析

3.1 模態分析

本文提取了筒倉空倉、半倉、滿倉三種倉儲狀況下的代表振型，結果顯示：空倉狀態下，結構的第1振型和第2振型分別為X向平動和Y向平動，第3階～第7階振型以倉壁振動為主，第8階振型為頂板豎向振動，第10階振型為筒倉整體扭轉；半倉狀態下，結構的第1振型和第2振型為X向平動和Y向平動，第3階～第10階振型以倉壁振動為主，第11階振型為筒倉整體扭轉，第13階振型為頂板豎向振動；滿倉狀態下，結構的第1振型和第2振型仍為X向平動和Y向平動，第3階～第8階振型以倉壁振動為主，第9階振型為筒倉整體扭轉，第10階～第19階振型為倉壁振動，第20階振型為頂板豎向振動。通過上述振型對比可見，倉儲多少的不同直接影響筒倉振型，尤其是倉壁的振動。隨著倉儲量增大，倉壁振動呈現高階狀態；除了X向平動和Y向平動，倉壁振動的振型居多，頂板豎向振動及筒倉整體扭轉的振型向后推遲。

另外，筒倉空倉、半倉、滿倉三種倉儲狀況下的前10階振型頻率如表1所示。從表1可見，倉儲量越大，筒倉的自振頻率越小，相應的自振周期越長，說明地震慣性越大。

表1 三種倉儲狀態下筒倉自振頻率(前10階振型)

3.2 加速度時程分析

本文對空倉、半倉、滿倉三種狀態時的筒倉進行了加速度時程分析，提取了三種倉儲狀況下的位移、應力。

位移結果顯示：空倉狀態下倉頂隨地震激勵響應明顯，倉頂節點X方向最大位移為1.95 mm，層間位移角約為1/22 051，Y方向最大位移為1.27 mm，層間位移角約為1/33 858；半倉狀態下由于倉內儲料影響，倉體慣性增大，倉頂節點隨地震激勵響應減弱，倉頂節點X方向最大位移為3.26 mm，層間位移角約1/13 190，Y方向最大位移為1.26 mm，層間位移角約1/34 128；滿倉狀態下倉內儲料達到最大值，倉體慣性更大，倉頂節點隨地震激勵響應延緩更多，倉頂節點X方向最大位移為4.14 mm，層間位移角約1/10 386，Y方向最大位移為2.61 mm，層間位移角約為1/16 475。結合《建筑抗震設計規范》[7]抗震墻結構彈性層間位移角限值為1/1 000，三種倉儲狀態下的地震位移均滿足規范要求。由此可見，該筒倉剛度均較大，具備足夠的抗側移能力，抗震性能良好。同時，通過對比可見，倉儲量多少對筒倉的地震響應有直接影響，在對筒倉進行地震加速度時程分析時需要根據實際情況確定計算工況。

三種倉儲狀態下筒倉不同標高處節點位移形成該筒倉X方向和Y方向的整體變形圖，分別如圖3，圖4所示。從圖3，圖4可見，筒倉整體變形均勻，位移基本呈線性增長，說明該筒倉整體剛度較均勻，抗側變形能力良好。

另外，空倉狀態下，單元第一主應力最大值出現在筒壁根部(與基礎接觸處)，第一主應力最大值699.3 kPa(

4 結語

本文基于ANSYS有限元分析軟件對某鋼筋混凝土單倉進行模態分析和加速度時程分析，結論如下：1)倉儲量多少直接影響筒倉的自振振型及頻率，應根據實際情況對筒倉進行模態分析和包絡設計；2)倉儲量多少影響筒倉慣性，和筒倉的地震響應有直接關系，采用加速度時程分析作為補充計算方法時必須根據實際情況選擇合適的倉儲工況參與計算；3)加速度時程分析可作為筒倉抗震設計的補充計算方法，選取滿足建筑抗震規范要求的多條地震激勵進行時程分析，取其結果的包絡值和振型分解反應譜法計算值的較大者作為計算結果進行地震分析。