《球形薄壳混凝土储仓系统的有限元分析.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《球形薄壳混凝土储仓系统的有限元分析.（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、球形薄壳混凝土储仓系统 的有限元分析 武汉大学土建学院 论文结构 1、绪论 2、计算模型的建立 3、各种荷载单独作用对球仓的影响 4、球仓结构配筋及技术经济比较 5、结论与展望 绪 论 1.1 封闭式储仓的主要形式 （1）封闭式条形煤仓 （2）筒仓贮煤仓 （3）圆形煤仓 （4）球形煤仓 1.2 球形储仓的主要优点 （1）仓体整体性能好，可抵御台风、暴雨和强烈地震 （2）球壳采用PVC充气外膜进行施工，工期短 （3）空间能有效利用，在有限空间内可存储大量物料 （4）外型环保美观，能有效防止粉尘污染 （5）对地基要求简单 1.3 本文的主要工作 （1）分析在各种荷载单独作用时球形混凝土薄壳的内力分
2、 布及地基的沉降变形 （2）计算分析当底部开有进人孔、环梁下廊道开孔时局部 内力的变化及对球仓整体受力的影响 （3）球形煤仓采用充气膜施工，对充气膜进行分析 （4）计算上部结构配筋量、混凝土用量与常规圆形煤仓进 行技术经济比较 计算模型的建立 2.1.1 几何模型 建立整体模型，考虑上部结构与基础的相互作用。 由于主要分析上部薄壳结构，建模时省略下部廊道。 2.1.2材料参数 混凝土材料采用线弹性本构模型 土的塑性屈服准则采用D-P模型 煤的塑性屈服准则采用M-C模型 材料参数表 材料名 称 压缩模 量E/MPa 泊松比 重度 /(KN/ m3) 内摩擦 角（ ） 凝聚力C （kPa） 剪胀角
3、 （） 混凝土3.0 E+40.16725 黄土100.25161222 砂砾300.220350 煤110.318.440 20 由于计算土中采用的是扩展的D-P塑性屈服准则，需要对原始的土层力 学性质参数中c、值进行转化转化公式如下 式中为转化后的材料内摩擦角；c为转化后的材料拉伸极限；K为流动 应力比 材料参数表 材料名称 变形模量 (MPa) 内摩擦角 （） 抗拉极限（ kPa）K 重度（ kN/m3） 黄土1024.0729.630.871600 砂砾4554.8117.310.7782000 2.2主要荷载 （1）满堆煤荷载按钢筋混凝土筒仓设计规范取值： 侧压力： 竖向压力： 、
4、（2）局部堆煤荷载 局部堆煤荷载时，没有规范可查，计算中将局部堆煤荷载简化为实 体 模型的一部分。其中最不利工况主要有两种：一侧两条皮带煤被卸走； 从左至右第三条皮带煤被卸走。 （3）上部转运站荷载 上部转运站荷载简化认为由四个钢柱分担 柱1、柱2处支座反力 柱3、柱4处支座反力 Fx（kN）水平 向（栈桥纵 向） Fy（kN）垂 直向 Fz（kN ） 1.0恒90-8500 1.0活90-3300 Fx（kN）水平 向（栈桥纵 向） Fy（kN） 垂直向 Fz（kN ） 1.0恒90-4500 1.0活90-1000 （4）温度荷载 季节温升（季节温降）是由于结构运行时环境温度高于（低于）结
5、构建 成时的温度造成的。 季节温升定为20。将季节温降定为20。 季节温升 季节温降 堆煤引起的内壁温度上升与外部大气温度之间形成的温差，是结构 的主要荷载之一，然而，这方面的资料非常有限，采用现场实测十分必 要。我们曾实测了直径120m圆形煤仓的内外温差数据，堆煤42天后仓壁 内外温度差为11 ，本次计算时放大到15。 内外温差 内外温差 （5）风荷载 依据GB50009 2001建筑结构荷载规范，球仓所在地地面粗糙度 为B类，按围护结构计算，风荷载标准值： 阵风系数 基本风压 底部圆形仓壁风压高度变化系数 上部球形仓壁风压高度变化系数 底部圆形仓壁局部风压体型系数 上部球形仓壁局部风压体型
6、系数 角度范围局部风压体型系数 0151 15300.8 30450.1 4560-0.7 6075-1.2 7590-1.5 90105-1.7 105120-1.2 120135-0.7 135150-0.5 150165-0.4 165180-0.4 （6）地震荷载 根据建筑物抗震设计规范的相关规定：宜采用振型分解反应谱 方法计算作用于球仓上的地震力。 地震荷载作用时，弹性模量远大于变形模量，弹性模量通过剪切波 速与剪切模量的关系式求得： 地震荷载时土体参数 地层编 号 剪切波 速 密度 弹性模 量 泊松比 Vs（m/s ） （kg/m2 ） （MPa ） 黄土192.316001470
7、.25 砂砾192.320001770.2 各种荷载单独作用时的影响 3.1分别计算了七种荷载对仓壁的影响： （1）满堆煤荷载 （2）局部堆煤荷载 （3）季节温升 （4）季节温降 （5）内外温差 （6）风荷载 （7）地震荷载 各种工况下仓壁内力比较 仓壁经向轴力比较 仓壁经向弯矩比较 仓壁纬向轴力比较 仓壁纬向弯矩比较 开有进人孔时经向轴力比较 开有进人孔时经向弯矩比较 开有进人孔时纬向轴力比较 开有进人孔时纬向弯矩比较 廊道下开孔时经向轴力比 较廊道下开孔时经向弯矩比较 廊道下开孔时纬向轴力比较 廊道下开孔时纬向弯矩比较 承台轴力比较 承台弯矩比较 各种荷载对结构的影响 （1）在各种荷载作用
8、下仓壁的经向弯矩与纬向弯矩都很小，以受轴力为主 （2）仓壁中上部由温度改变引起的纬向轴拉力最大值为满堆煤荷载的10% （3）承台由温度改变引起的轴拉力与弯矩最大值为局部堆煤荷载的10% （4）地震荷载引起的仓壁纬向轴拉力值为满堆煤荷载的10% （5）地震荷载对承台的影响较小 （6）风荷载对仓壁和承台的影响都很小 3.2球形薄壳混凝土储仓结构地基基础 （1）土体的竖向沉降在满堆煤时最大。发生在中部堆煤最多处为600mm， 沉降较大，但范围很小，沉降量沿着径向迅速减小，大多数区域沉降为 300mm （2）土体的径向位移在满堆煤与局部堆煤都很小，可以不用考虑 （3）土体的塑性应变在局部堆煤时最大。局
9、部堆煤时在堆煤的一侧，土体 的塑性应变较大，在承台处最大，最大值为3.2E-2，但分布区域很小， 堆煤一侧大部分区域约为1.5E-2，不会发生塑性变形 （4）承台的径向位移在局部堆煤时较大，在堆煤的一侧最大位移值为60mm ，满足设计要求 3.3充气膜分析 球形煤仓采用充气膜进行施工，由于该方法属于新的施工方法，需 要了解膜的受力情况。 （1）有限元模型 建立有限元模型时将充气膜离散为膜单元，整体坐标采用笛卡尔坐 标系，z轴铅直向上，坐标原点设在（0，0，0），根据结构型式，统计 计算结果时采用球形坐标系。 （2）材料参数 充气膜的建筑织物是法拉利1302型膜材。 弹性模量E=1155MPa，
10、泊松比=0.14，密度=1500kg/ m3， 膜材的极限抗拉强度为100kN/m，膜材的厚度d=1mm 充气膜内部施加700pa的压力，底部施加全约束，即约束节点三个自 由度。 （3）计算结果 充气膜经向轴拉力最大值为13.8kN/m，纬向轴拉力最大值为16.4 kN/m，都比膜材的极限拉伸强度100 kN/m低，因此在施工时充气膜是安 全的。 3.4球形薄壳混凝土储仓结构配筋设计和构造 根据荷载规范，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载 效应组合，并取各自最不利的效应组合进行设计 （1）仓壁经向配筋 仓壁经向控制内力 经向各段配筋为强度控制，仓壁经向配筋均为构造配筋。 仓壁高度
11、（ m） 截面高度（ m） 截面宽度（ m） 强度控制裂缝控制 仓壁分段配 筋长度 弯矩（kN*m ） 轴力（kN） 弯矩（kN*m ） 轴力（kN） -1.50.650.557.6518.463.75432 标高6m以下 配筋 60.250.543.2187.239.75156 标高6m以上 配筋 （2）仓壁纬向配筋 仓壁纬向控制内力 仓壁纬向配筋都为裂缝控制，仓壁纬向配筋率： -1.5m-6m配筋率为2.6，钢筋面积为8500mm2，对称双层配筋， 25100 ； 6m-10m配筋率为2.1，钢筋面积为4700mm2，对称单层配筋， 2590 ； 10m-38m配筋率为0.6%，钢筋面积为
12、700mm2，按构造配筋。 仓壁高度 （m） 截面高度 （m） 截面宽度 （m） 强度控制裂缝控制仓壁分段 配筋长度弯矩（ kN*m） 轴力（kN ） 弯矩（ kN*m） 轴力（ kN） 00.650.514.41584121320 0m至6m 配筋 60.450.5-8.64864-7.2720 6m至10m 配筋 100.250.51.441441.2120 10m至 38m配筋 （3）承台配筋 承台控制内力 承台配筋为裂缝控制，配筋率为2.5，钢筋面积为50000mm2，对 称双层配筋，2870。 强度控制裂缝控制 弯矩（kN*m）轴力（kN）弯矩（kN*m）轴力（kN） 9368640
13、7807200 （4）进人孔局部配筋 在满堆煤底部开有进人孔时，进人孔局部纬向轴拉力为1200 kN，与 未开孔时比较，增大的了20%，我们增加进人孔3m*3m内仓壁纬向配筋。 进人孔纬向控制内力 进人孔处局部3m范围内配筋为裂缝控制，配筋率为2.76，钢筋面 积为9000mm2，对称双层配筋，2590 。 仓壁高度 （m） 截面高度 （m） 截面宽度 （m） 强度控制裂缝控制 仓壁分段 配筋长度 弯矩（ kN*m） 轴力（kN ） 弯矩（ kN*m） 轴力（ kN） 00.650.51091728941440 进人孔附 近3m*3m 3.5球形薄壳混凝土储仓技术经济分析 华北院球形煤仓直径6
14、5m，堆煤高度为38m，靠近挡煤墙侧堆煤高度为9m， 可堆煤6万吨。 钢筋与混凝土材料统计 仓壁配筋（t） 承台配 筋（t） 总计（t ） 混凝土 （m3） 竖向环向小记 56264320783982700 国电南浦圆形煤仓直径100m，堆煤高度为28.5m，靠近挡煤墙侧堆煤 高度为16m，可堆煤14万吨。 钢筋与混凝土材料统计 仓壁配筋（t） 承台配 筋（t） 上部网 架用钢 量（t） 总计（t ） 混凝土 （m3） 竖向环向小记 39428367745550018068800 （1）球形煤仓每堆煤1万吨需要钢筋66.7吨，混凝土450吨； （2）圆形煤仓每堆煤1万吨需要钢筋132.8吨，混
15、凝土628吨。 （3）每堆煤1万吨球形煤仓的钢筋用量为圆形煤仓的50%、混凝土用量为圆 形煤仓的72%，可见球形煤仓更加经济。 结论与展望 4.1结论 （1）球仓的抗弯性能较好，在各种荷载作用下仓壁的经向弯矩与纬向弯矩都 很小，仓壁以受轴力为主。 (2)当球仓底部仓壁开有进人孔、环梁下有廊道时对球仓的整体受力变形基本 没有影响。 (3) 采用满堆煤工况仓壁的最大弯矩、轴力进行仓壁的抗弯设计基本可以满 足设计要求。 (4) 在满堆煤荷载下地基基础的沉降及变形满足设计要求。 (5) 充气膜经向轴拉力最大值与纬向轴拉力最大值都比膜材的极限拉伸强度 低，在施工时充气膜是安全的。 (6) 与圆形煤仓比较，球仓在混凝土及钢筋用量上更加经济。 谢谢谢谢谢谢谢谢
