地震作用下钢筋混凝土筒仓动力特性及变形分析

赵书锋 尉桂芬

开封大学土木建筑工程学院（475004）

地震作用下钢筋混凝土筒仓动力特性及变形分析

赵书锋 尉桂芬

开封大学土木建筑工程学院（475004）

这里运用大型通用有限元软件ANSYS建立起大型钢筋混凝土筒仓三维有限元模型，对其进行了动力特性分析和两组天然波一组人工波的时程分析，分析结果表明结构前四阶均为平动，第五阶以后出现扭转，结构在TAFT波作用下位移反应最为强烈，但是最大值仍然满足规范要求，结构的整体刚度设计合适。为大型或超大型混凝土贮煤筒仓的结构设计提供一些可参考、有价值的数据和建议，供技术人员参考。

筒仓；地震反应；动力特性；时程分析

0 引言

筒仓结构被广泛用于储存煤、水泥、粮食、饲料等散料状材料，在工业生产过程中对于缓冲原料与中间物料、协调生产、配送起到重要作用。随着经济的发展和生产规模的扩大,筒仓规模不断扩大，尤其是煤筒仓正在向着更大、更高、更复杂的方向发展。目前运用于贮煤筒仓的整体分析的理论研究仍存在许多漏洞[1]，这里将运用大型有限元分析软件ANSYS对开封发电厂一大型筒仓的动力特性和地震作用下的变形进行分析。

1 工程概况

开封市发电厂钢筋混凝土筒仓直径100 m，高18 m，壁厚0.7 m，进料口门5.5 m（宽）×6 m（高），环向均匀设置45根扶壁柱，其截面为0.8 m（长）×0.5 m（宽）的壁柱，顶部设置0.8 m（长）×0.5 m（宽）的环梁，基础采用预应力管状，其直径为d=0.8 m，管桩间隔3度，分三排布置沿环向每隔3度设置有3排管桩，其直径为d=0.8 m，共计360根。上、下部结构通过6.6 m×2.1 m的承台连成整体。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.2 g，场地类别为II类；仓壁C40钢筋混凝土,采用HPB300级、HRB400级钢筋。材料参数见表1。

表1 材料属性及参数

图1 有限元模型图

1.1 单元选取

筒仓侧壁采用8节点空间Solid65单元三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数。壁柱和环梁采用BEAM188三维线性有限应变梁单元，预应力管桩采用管单Pipe16单元模拟。计算中考虑了管桩和土体之间的共同工作和整体效应，整个模型共有85 518个单元，94 690个节点，有限单元计算模型如图1所示。

1.2 计算范围和边界条件

考虑桩土相互作用，计算过程中参照有关文献[2]及工程实例计算深度取30 m（2倍桩长），外边届取筒仓外18 m，内边界取筒仓内38 m，土体的外边界和土体底部设置即X、Y、Z三个方向位移为0，位移为完全固定约束，而筒仓壁内侧土体边界考虑由于受到贮煤竖向压力的作用产生竖向位移，将土体内边界在水平面方向(XOY面)位移为0视为两向约束。

1.3 筒仓所受到的压力载荷[3]

散料顶面下h处的侧压力为:

表2 结构前二十阶振型固有频率、周期值

散料顶面下z处的竖向压力为:

式中，k为侧压力系数，γ为贮煤的重度，h为贮煤的顶端到煤堆底面的距离，根据计算，在此取k= 0.45，γ=13 kN/m3，h=17 m。

2 结构动力特性

结构动力特性计算主要计算了结构的自振频率、周期以及各阶阵型图，其中表2给出了前十阶频率和周期，图2为前六阶振型图。

图2 前六阶振型图

选取有代表性EL-CNENTRO波、TAFT波和上海人工波对结构进行时程分析，调整其峰值加速度符合7度设防要求[4，5]，地震作用下结构顶点位移值见表3，最不利地震波TAFT波作用下位移最大时刻的结构位移云图如图3所示。

表3 结构最大位移响应

图3 TAFT波作用下最大位移时刻结构位移云图

3 结论

从以上相关的图表数据分析可以得出以下结论:

1）从结构的前几阶周期可以看出两两相近，结构的固有频率首先出现在刚度较弱的开洞方向，前四阶以平动为主，第五阶开始出现扭转，筒仓顶部振动较为明显，应对此处采取加强措施，适当加大环梁尺寸，由于建模没有考虑仓盖的约束，实际会有所改善。

2）在多、罕遇地震作用下，不同的波引起的位移反应不同，其中TAFT波位移反应最为强烈，但是最大位移小于规范要求的H/880,说明结构的刚度和变形是满足规范要求的。

3）在结构开口处位移相对大，实际结构中此处有环梁与顶盖的作用,计算模型未予考虑，若考虑其约束作用位移效应会有所减小。

[1]滕锦光,赵阳.大型钢筒仓的结构行为与设计[J].土木工程学报,2001(4):46～52.

[2]马超.筒仓结构一地基相互作用动力计算[D].西安:长安大学,2008.

[3]GB 50077-2003,中华人民共和国国家标准,钢筋混凝土筒仓设计规范[S].中国计划出版社,2003.

[4]GB 50191-2012,中华人民共和国国家标准,构筑物抗震设计规范[S].中国计划出版社,2012.

[5]王录民,等.钢筋混凝土立筒群仓结构抗震模型的设计与制作[J].结构工程师,2008,3(6):37～40.