張林杰,曾長女

河南工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 (鄭州 450001)

方形混凝土儲倉分倉倉壁靜壓力有限元分析

張林杰,曾長女

河南工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 (鄭州 450001)

以某工程為實例，用有限元軟件建立模型，對糧食分倉儲存進(jìn)行了研究，對方倉在使用階段的應(yīng)力分布和位移變化進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析研究，所得的分析結(jié)果可供糧食進(jìn)行分倉儲存時提供借鑒。

方倉；分倉儲存；變形；應(yīng)力

根據(jù)新形式下糧油安全儲藏的需要，形成新的“五分開”(種類、品種、等級、生產(chǎn)年度、水分)這樣做的目的是為了防止品種混雜、利于保持糧油本身的品質(zhì)，防止混裝造成的糧堆內(nèi)的品質(zhì)不均勻，引起不良情況的發(fā)生，危及到儲糧安全；為糧油安全儲藏和合理利用提供保障，糧食分倉收儲模式新倉型進(jìn)行糧食儲藏，可有效解決糧食產(chǎn)后流通、加工存在著數(shù)量損失嚴(yán)重、能耗較高、品質(zhì)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題一系列技術(shù)難題，并引導(dǎo)糧食產(chǎn)前的集約化經(jīng)營。

1995年，戴國光提出鋼筋砼方倉按深梁設(shè)計[1]；2009年，毛丁濤通過分析和計算完成了方形混凝土群倉的結(jié)構(gòu)選型，其次得到群倉在不同荷載下的結(jié)構(gòu)影響，并找到方形群倉的最不利組合，施加預(yù)應(yīng)力，形成方形預(yù)應(yīng)力混凝土儲煤群倉[2]；2010年，羅宇東研究了重點介紹了方形煤倉并列群倉貯煤技術(shù)，將方形煤倉并列群倉貯煤方式與其他主要貯煤方式做了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，闡述了方形煤倉并列群倉貯煤技術(shù)在大型燃煤電廠的使用條件[3]；2015年，林亞松，楊志敏把筒、方倉各自優(yōu)點結(jié)合在一起創(chuàng)新一種新的倉型-正方形方倉，通過分析和計算，證明了正方形方倉比現(xiàn)有的筒倉、方倉的優(yōu)越性，可以降低投資、節(jié)約作業(yè)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點[4]。2016年，江世哲等研究表明新型鋼結(jié)構(gòu)方倉與圓形混凝土筒倉相比，具有造價優(yōu)勢，市場應(yīng)用前景廣闊的的優(yōu)勢[5]。因此方形砼群倉在貯糧中有著很大的應(yīng)用前景，對糧倉等相關(guān)貯料倉的設(shè)計提供借鑒意義。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

本文的工程實例以某糧倉為研究背景，糧倉共4層，其中第3層為儲糧層，本文取第3層為重點來研究糧食的分倉儲存，高10.8 m，柱距為10 m×10 m，柱的截面尺寸為0.5 m×0.5 m，每隔5 m處設(shè)有混凝土倉壁，倉壁厚0.25 m，倉板厚0.18 m，梁距分別為1.7 m，1.6 m，1.7 m，以此類推；周邊的跨梁截面尺寸為0.35 m×1 m，次梁的截面尺寸為0.25 m×0.6 m，混凝土柱采用C40混凝土，彈性模量為32.5 kPa，泊松比為0.2，重力密度為2 400 kg/m3；其余均使用C35混凝土，彈性模量為31.5 kPa，泊松比為0.2，重力密度為2 390 kg/m3[6]。本文取100 m2，即一個柱距；為對象研究分倉儲糧的不同工況下結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。梁柱的分布見圖1。

圖1 梁柱的分布示意

1.2 模型的建立

本文利用ABAQUS有限元軟件對筒倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析。糧倉是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文中的模型研究的重點倉板和倉壁都采用四節(jié)點減縮積分殼單元S4R，梁和柱采用三維兩點線性梁單元B31[7]，倉板和倉壁合并成一個部件，梁和柱合并成一個部件，兩個部件之間使用綁定約束(tie)組合成。

(1) 約束確定及荷載施加

在糧倉結(jié)構(gòu)模型的一個部位施加約束：在數(shù)值模擬中，把柱底部邊界條件考慮成剛結(jié)固定端。

(2)倉底荷載的施加

倉底荷載 本筒倉模型的荷載主要有結(jié)構(gòu)重力荷載、糧食荷載。前面已經(jīng)定義了材料的屬性，結(jié)構(gòu)的重力荷載可以計算出。糧食荷載在模型結(jié)構(gòu)中是以壓力的形式出現(xiàn)，在樓板處產(chǎn)生豎向壓力，糧倉高度為10.8 m，以儲存小麥為例，糧食容重取8 kN/m3[8]，則倉底板承受糧食荷載：8×10.8=86.4 kN/m2。

(3)倉壁荷載

在倉壁處承受糧食水平壓力與豎向摩擦力[9]。本文以平堆散糧食計算倉壁承受的糧食荷載如圖2所示。

平堆散裝糧食對于計算深度s處倉壁產(chǎn)生的水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Ph=k·s

(1)

(4) 計算深度s處糧食作用于倉壁單位面積上的豎向摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Pf= kγstanδ

(2)

式中：s為儲糧頂面至計算截面的距離，m；γ為儲糧的重力密度，kN/m2；δ為糧食對灰砂粉刷面的外摩擦角；k糧食側(cè)壓力系數(shù)，k=tan2(45°-φ/2)；φ為糧食內(nèi)摩擦角；當(dāng)儲糧為小麥時，具體參數(shù)選取見表1。

表1 糧食參數(shù)取值表

參照以上公式，對模型在LOAD模塊施加相應(yīng)的豎向力，對倉壁的水平力和豎向摩擦力，如圖2所示；向下的箭頭是施加的相應(yīng)位置的摩擦力，圖中的梯形荷載表示倉壁所受到的糧食造成的由上到下逐漸增大的側(cè)向力。整體如圖3。

(5)五種分倉工況

如圖3所示，筒倉正常工作時共有5種不同工況，為方便表明不同工況，分別給4個倉標(biāo)號(圖4)。

不同工況組合見表2。

圖2 平堆散裝糧食對倉壁產(chǎn)生的荷載

圖3 模型荷載施加圖

圖4 筒倉標(biāo)號示意

表2 工況表

2 計算結(jié)果與分析

2.1 倉板、壁的應(yīng)力與變形

在結(jié)構(gòu)受力最大的四倉同時工作狀態(tài)下，樓板上的最大應(yīng)力集中在隔板底部兩側(cè)，倉壁上的應(yīng)力主要集中在底部4個倉角處，從上到下逐漸變大，在有底板約束的倉壁低端應(yīng)力達(dá)到最大，最大位移分布在各單倉的底板中心處，變形從中間部位沿四周呈均勻遞減趨勢，如圖5、圖6所示其它工況的應(yīng)力分布和四倉的應(yīng)力分布基本相似。

圖5 筒倉整體應(yīng)力圖

圖6 筒倉整體位移圖

圖7 倉壁應(yīng)力隨高度變化圖

圖8 倉壁位移隨高度變化圖

(1)倉壁沿高度方向上的應(yīng)力

從圖7可以看出，從倉壁底部到倉壁頂部應(yīng)力逐漸減小，單倉從2.02 MPa、雙倉對角從2.01 MPa、鄰倉從2.12 MPa、三倉從2.3 MPa、四倉從2.47 MPa逐漸減小到0。雙倉對角和鄰倉雖然都是兩個倉同時工作，但應(yīng)力曲線趨勢卻相差較大，總體來說四倉的應(yīng)力曲線趨勢最大，單倉最小，說明倉壁應(yīng)力主要由糧食荷載控制。

(2)倉壁沿高度方向上的位移

從圖8所示可以看出由于筒倉頂部沒有樓板的約束，所以不為0，而是根據(jù)不同工況而有所不同；在接近筒倉底部出現(xiàn)明顯較大變形，工況一到工況五的最大位移分別為0.32 mm、0.37 mm、0.39 mm、0.56 mm、0.61 mm。

2.2 柱和梁的應(yīng)力和位移

柱和梁的應(yīng)力和位移云圖見圖8和圖9。

由圖9、圖10所示可知，梁的應(yīng)力和位移分布情況和筒倉整體的應(yīng)力和位移分布情況相吻合，說明模型中筒倉的板和壁與梁和柱的接觸良好；應(yīng)力集中在主梁與次梁的交接處，此處受力較大，應(yīng)加強(qiáng)配筋；位移主要發(fā)生在次梁與倉板底部接觸的中心處，此處位移較大，應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，增加強(qiáng)度減少位移，從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖9 梁柱應(yīng)力圖

圖10 梁柱位移圖

3 不同柱距的對比分析

結(jié)構(gòu)的最大受力部位和最大變形部位是底板，結(jié)構(gòu)使用的C35混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為16.7 N/mm2，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力16.7 N/mm2時，認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到承載極限，為了研究結(jié)構(gòu)的極限承載能力，分別對10 m×10 m柱距的擴(kuò)展模型和15 m×15 m柱距的擴(kuò)展模型底板施加的荷載逐漸增至結(jié)構(gòu)的承載極限，并對以下因素進(jìn)行對比分析了：

(1)位移影響范圍：10 m×10 m柱距結(jié)構(gòu)在四倉同時工作時位移的影響半徑約為13 m，15 m×15 m柱距位移影響半徑約為17 m。

(2)極限荷載：通過有限元模擬，確定10 m×10 m柱距的底部極限荷載為1 550 kN/m2，15 m×15 m柱距的底部極限荷載為590 kN/m2，10 m柱距比15 m柱距的承載能力大約2.6倍。

柱距10 m×10 m的結(jié)構(gòu)極限荷載模型見圖11和圖12。

柱距15 m×15 m的結(jié)構(gòu)極限荷載模型見圖13和圖14。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對筒倉分倉儲存形式進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

圖11 10 m×10 m 柱距應(yīng)力圖

圖12 10 m×10 m柱距位移圖

圖13 15 m×15 m柱距應(yīng)力圖

(1)倉壁越靠近底板約束的位置，應(yīng)力越大，倉底位置倉壁應(yīng)力達(dá)到最大。

(2)方倉底部的倉壁和底板連接處受力比較集中應(yīng)采取加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)筒倉的5種儲藏方式倉壁應(yīng)力最大的為工況四為2.47 MPa，小于C35混凝土樓板的軸心抗壓設(shè)計值16.7 MPa/m2，所以可以說明這5種不同工況的受力雖有大小之分，但是，都在混凝土所能承受的強(qiáng)度范圍之內(nèi)，即五種不同工況都可以安全使用。

圖14 15 m×15 m柱距位移圖

(4)工況二(對角)和工況二相比較，倉壁位移分別為0.37 mm和0.39 mm相差無幾，但應(yīng)力分別為2.01 MPa、2.12 MPa相差相對較大。所以當(dāng)實際情況中確實需要兩個筒倉一起工作時，應(yīng)盡量使用工況二(對角)的儲存方式，以減少對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

(5)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)10 m×10 m柱距和15 m×15 m柱距兩種結(jié)構(gòu)方案都能滿足結(jié)構(gòu)正常使用，但10 m柱距比15 m柱距的承載能力大約2.6倍。

[1] 戴國光. 鋼筋砼方倉按深梁設(shè)計的成功嘗試[J]. 糧食與食品工業(yè),1995(3):37-41.

[2] 毛丁濤.方形混凝土儲煤群倉應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[3] 羅宇東. 方形煤倉并列群倉貯煤技術(shù)在大型燃煤電廠的應(yīng)用[J]. 華電技術(shù),2010,32(12):64-67.

[4] 林亞松,楊志敏. 倉型創(chuàng)新-正方形方倉方案可行性探討[J]. 現(xiàn)代食品,2015(12):42-48.

[5] 江世哲. 新型鋼結(jié)構(gòu)方形煤倉應(yīng)用研究[J].工業(yè)建筑,2016(46)：698-700.

[6] 程文瀼，王鐵成，顏德姮. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 費 康，張建偉. ABAUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[8] 王振清.糧食建筑基本理論與設(shè)計[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

[9] 張慶章，仇新義，王振清. 糧食荷載作用下樓房倉結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分析[J].河南科學(xué),2016,34(8):1265-1269.

Analysis on finite element of static lateral pressure in square concrete silos

Zhang Linjie, Zeng Changnv

Henan University of Technology Institute of Architecture and Civil Engineering (Zhengzhou 450001)

By taking a project as an example, using finite element software to build model, the warehouse storage of grain was studied, and the numerical simulation of stress distribution and displacement on the granary in normal working were studied. The results can be used for grain storage.

square storehouse; branch warehouse; deformation; stress

2017-03-02

糧食公益性行業(yè)科研專項(項目編號：201513001)；河南省高校青年骨干教師資助計劃(項目編號：2011GGJS-080)。

張林杰，男，1992年出生，研究生，研究方向為土木工程。

TU318

B

1672-5026(2017)03-045-05