徐 森,孫巍巍,張 威
(南京理工大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210094)
鋼筋混凝土筒倉的建設(shè)與應(yīng)用在我國早期主要參考蘇聯(lián)的相關(guān)規(guī)范,于1985年正式頒布實施了《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)劃》(GBJ 77—85),在此基礎(chǔ)上修訂改編為GB 50077—2003[1]。隨著能源、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,鋼筋混凝土筒倉的結(jié)構(gòu)和形式也出現(xiàn)了新的突破。經(jīng)長期經(jīng)驗總結(jié),國內(nèi)現(xiàn)行筒倉規(guī)范為《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50077—2017)[2]。
目前,國內(nèi)大直徑中心錐體筒倉內(nèi)部錐體多采用整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形式,針對預(yù)制裝配式中心錐體筒倉的研究成果相對較少,筆者借助ANSYS有限元軟件計算得到中心錐體預(yù)制板吊裝階段內(nèi)力分布規(guī)律,并對計算結(jié)果進行分析及探討。
(a)中心錐體剖面
(b)預(yù)制板示意
某中心錐體筒倉內(nèi)徑為22.5 m,錐體預(yù)制板為24片加1片頂部蓋板,借助ANSYS有限元軟件模擬預(yù)制板吊裝施工過程,中心錐體及預(yù)制板如圖1所示。
預(yù)制板的吊裝過程可分以下兩步:①保持預(yù)制板處于平整狀態(tài),然后依次連接預(yù)制板中3個吊點,并沿鉛垂方向緩慢起吊至合適高度;②固定預(yù)制板頂部吊點,使其繞底邊緩慢旋轉(zhuǎn)60°并保持,最終完成定位拼裝。
ANSYS分析過程包括模型建立、邊界條件設(shè)定和結(jié)果分析[3]。單位取國際單位制(SI),預(yù)制板ANSYS模型采用SHELL 181單元模擬,混凝土等級為C40,彈性模量Ec=3.25×1010N/m2,混凝土泊松比μc=0.2,混凝土密度ρc=2 500 kg/m3,預(yù)制板網(wǎng)格劃分時單元邊長取0.15 m,最終得到預(yù)制板有限元模型如圖2所示。
預(yù)制板吊裝分兩步,有限元計算時每一步邊界條件為:①頂部吊點約束UZ方向自由度,左側(cè)吊點約束UX,UY,UZ方向自由度,右側(cè)吊點約束UY,UZ方向自由度;②頂部吊點約束UZ方向自由度,預(yù)制板底部邊緣所有節(jié)點約束UX,UY,UZ方向自由度。
吊裝每一步荷載水平保持一致,分別為重力荷載與預(yù)制板頂部集中荷載,集中荷載主要為工人及定位安裝時設(shè)備自重,分析時取值為1 500 kN。
吊裝每一步預(yù)制板內(nèi)力絕對值最大值見表1。
表1 預(yù)制板內(nèi)力結(jié)果
實際工程中,吊裝工況主要影響預(yù)制板豎向配筋,以下重點關(guān)注預(yù)制板豎向軸力與彎矩云圖,如圖3、圖4所示。
(a)吊裝第一步 (b)吊裝第二步
(a)豎向軸力云圖 (b)豎向彎矩云圖
(a)豎向軸力云圖 (b)豎向彎矩云圖
由圖3可知,預(yù)制板豎向軸拉力最大值發(fā)生在頂部吊點附近,為580.7 kN/m,最大軸壓力則位于預(yù)制板頂部吊點兩側(cè)變截面處,為-239.6 kN/m;豎向最大正彎矩位于頂部吊點附近,為277.7 kN·m/m;最大負(fù)彎矩則位于預(yù)制板中部區(qū)域,為-126.9 kN·m/m。
由圖4可知,預(yù)制板豎向軸拉力最大值發(fā)生在頂部吊點附近,為580.7 kN/m,最大軸壓力則位于預(yù)制板中部區(qū)域,為-279.9 kN/m;豎向最大正彎矩位于頂部吊點附近,為284.5 kN·m/m;最大負(fù)彎矩則位于預(yù)制板中部區(qū)域,為-357.4 kN·m/m。
借助ANSYS模擬施工工況后,可以得到預(yù)制板吊裝過程中典型控制截面包括:頂部吊點附近變截面處、預(yù)制板底部變截面處。同時需要考慮中間正常厚度處存在的較大負(fù)彎矩。從而為裝配式中心錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論和實踐依據(jù)。