大型鋼筋混凝土球倉有限元數值模擬

張喬林 楊小軍 汪 濤

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710061)

0 引言

隨著煤礦規模及產量的提升，考慮到實際工程工藝的需要，筒倉需要更大的儲量。其中，以充氣膜與殼體結構的結合成為一種新型的結構形式。氣膜薄殼鋼筋混凝土結構以性能良好的柔軟織物為外膜，充氣后依次在膜內噴射聚氨酯形成穩定的模板，然后綁扎鋼筋、噴射混凝土，借助于密閉空間內空氣壓力保持膜面張力，以形成具有一定剛度、受力良好的大空間氣承式膜結構體系[1,2]。目前以門克慶煤礦及大屯電廠球倉為此類工業建筑的典型代表。郭鋒，梁哲章[3]通過和國內常見的其他煤炭倉儲形式比較，介紹了氣膜鋼筋混凝土穹頂球倉在建設和使用方面的眾多優點。同時介紹了中天合創公司選煤技術人員在氣膜鋼筋混凝土穹頂球倉建設過程中的技術優化。文獻[4]采用噴射混凝土等施工工藝高質量的完成了氣膜薄殼儲煤倉的施工，并取得顯著的經濟效益。丁大鈞[5,6]，徐芝綸[7]等國內學者，對薄殼結構理論做了深入的研究并頒布了鋼筋混凝土薄殼結構設計規程[8]來指導結構設計。

1 工程概況

中煤陜西榆林能源化工有限公司某選煤廠原煤球倉直徑66 m，倉體高66.50 m，是目前我國最大的堆煤球倉。其中倉壁直段33.50 m，錐殼段為33 m半球形殼，倉上建筑2層，1層為設備層，2層設水箱間，倉上建筑位于直徑14 m的同心圓內。倉體最大儲煤量為10萬t。

上部結構為半球穹頂，下部為筒體。結構對稱，布置均勻，為平面及豎向規則體系，結構的設計使用年限為100年。

由于原煤運輸工藝布置的需要，在倉下布置四條暗道穿過倉壁；錐殼開直徑1 m的進風孔16處，同時為了避免瓦斯的聚集，在此設直徑1.65 m的卸爆孔10處。具體布置見圖1(具體模型參考三維幾何模型)。

設計基本風壓值、基本雪壓值根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范附錄E.5《全國各城市雪壓、風壓和基本氣溫》，本地區基本風壓：Wo=0.45 kN/m2(100年重現期)；基本雪壓：So=0.30 kN/m2(100年重現期)進行選取。

抗震資料：根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)和GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖，本地區地震動峰值加速度0.05g，場地類別Ⅱ類，反應譜特征周期0.35 s，第一組。

2 結構有限元模型的建立與分析

本文采用結構分析通用有限元軟件ANSYS[9]進行整體建模，由于漏斗切分，模型局部尺寸不規則，為便于網格劃分，模型采用四面體單元，同時設計計算采用理想的彈性材料模型。

由于漏斗填料致使漏斗與倉壁交接部位不在同一標高，這導致了倉壁的受力差異較大，因此采用整體建模的方式進行分析。

所建模型具體包括：地基基礎、倉壁混凝土結構、四條暗道、兩類填料、兩煤堆填料以及上部環梁，如圖1～圖8所示。倉上設備層及水箱間通過節點及線荷載施加在倉頂環梁。

2.1 網格劃分

網格劃分的尺寸煤堆按1.8 m；側壁按1.2 m；環梁按0.6 m；暗道及漏斗按0.8 m；地基按1.2 m網格劃分結構如圖9～圖14所示。

2.2 材料參數

結構地基用等效彈性模量的方法模擬實際地基狀況；倉壁混凝土采用C40噴射混凝土，暗道采用C40抗滲混凝土，下層填料模擬實際水泥土，上層填料模擬實際氣囊混凝土，具體材料屬性如表1,表2所示。

表1 材料屬性列表

材料名稱密度kg/m3彈性模量/Pa泊松比導熱系數W/(m·K)熱膨脹系數C-1混凝土26003.2E100.22.9441E-5上層填料17001.65E90.20.841E-5下層填料16004.56E80.320.842E-6煤10001.3E90.351.66.4E-6注:煤材料采用Mohr-Coulomb非線性材料,其中內摩擦角取38°;粘滯力取1.21E6Pa,剪脹角取20°;地基材料采用土和樁等效的材料屬性,地基根據實際土層的分布狀況分三層

表2 地基材料屬性列表

2.3 施加荷載

荷載工況：1)恒荷載(結構自重以及頂部倉上恒荷載)；2)滿堆煤容重；3)局部堆煤活荷載工況一：最邊側廊道卸煤，其他廊道不卸煤；4)局部堆煤活荷載工況二：邊側兩個廊道同時卸煤，其他廊道不卸煤；5)局部堆煤活荷載工況三：中間一個廊道卸煤，其他廊道不卸煤；6)頂部倉上活荷載；7)風荷載作用；8)雪荷載作用；9)溫度作用(包括溫升，溫降作用)；10)地震作用。

在球倉的計算分析中，考慮以上的荷載工況，在得到的各個荷載工況結果的基礎上，進行荷載工況組合，得到最不利工況組合。

2.4 倉壁內力分析

由于漏斗板與倉壁相接觸的位置標高的差異導致倉壁在漏斗范圍同一水平面的環向拉應力相差較大，因此得采用該標高處的最大環向應力來配筋。本次取1.3恒荷載+1.4儲料荷載+1.5×0.7×活荷載+1.5×0.7雪荷載+1.5×0.6風荷載基本組合工況，選擇球倉外壁沿豎直方向的兩個路徑，分別代表球倉外側和球倉內側，提取了外側路徑和內側路徑的數據結果，包括柱坐標系下倉壁自下而上的環向應力、徑向應力及經向應力，間距1.5 m為一個平均應力區；分別見圖15～圖17。

由曲線圖可知：

1)環向拉應力數值較大，環向應力最不利位置位于球倉外壁面6 m～7.5 m位置，即外壁與門洞連接位置；

2)徑向應力最不利位置一般為外壁尺寸變化位置，如底部基礎位置、倉壁直段與錐殼段連接位置、倉壁開洞位置等；

3)經向應力最大位置大多數為外壁底部，個別尺寸變化位置存在應力集中，如底部基礎位置、倉壁直段與錐殼段連接位置、倉壁開洞位置等。

3 結語

本次通過有限元軟件系統分析了我國最大的某球倉結構在恒荷載、滿堆煤容重、風荷載等最不利荷載工況組合，系統探討了該結構倉壁應力分布規律，得出了一些能夠應用于實際工程設計之中的結論，具體如下：

1)根據ANSYS分析結果因考慮工況組合，鋼筋混凝土筒倉設計標準[10]附錄C公式僅有堆煤工況下計算出來的倉壁壓力結果偏大。望今后這種型式的筒倉用鋼筋混凝土筒倉設計標準[9]附錄C公式對有限元分析結果進行單工況對比。

2)穹頂受力狀態表明穹頂的薄膜應力基本上都是無矩狀態。穹頂受到的集中力只存在于邊緣局部范圍，一般下部受拉，上部受壓，且很快都轉化為壓應力。

3)穹頂出現反彎平面的位置大約在圓心角45°方向。上部環向為壓應力，下部環向為拉應力。即上部環向配筋應主要抵抗穹頂向內變形，下部穹頂環向配筋主要抵抗向外變形。