大型落地式钢板仓地震作用分析

刘振华　付迎娟　王　涛　张　震

(山东大学土建与水利学院，山东济南　250061)



大型落地式钢板仓地震作用分析

刘振华付迎娟王涛张震

(山东大学土建与水利学院，山东济南250061)

摘要:结合某落地式水泥钢板筒仓工程为例，利用有限元软件ABAQUS建立了三维筒仓模型，采用时程分析法，对钢板仓进行了地震作用分析，根据钢筒仓设计规范，探讨了钢筒仓的抗震性能，为落地式钢板筒仓的抗震设计提供了参考依据。

关键词:落地式钢板筒仓，ABAQUS，时程分析

1　工程概况

以某大型落地式水泥钢板仓工程实例，钢板仓直径为25 m，仓壁高度为18 m，由厚度不尽相同的12节钢板逐节焊接而成。底板为钢筋混凝土材料，直径26 m，厚度1 m(不考虑加劲肋和仓顶结构)。仓壁所用钢材材性为Q345D，弹性模量2．06× 105N/mm2，泊松比0．3。水泥物料弹性模量8．5 N/mm2，泊松比0．33，容重16 kN/m3，与钢板摩擦系数0．3，与混凝土摩擦系数0．45，粘聚力700 Pa，内摩擦角30°，侧压力系数0．333。

2　采用规范验算地震作用下钢筒仓仓壁强度

计算参数选取:场地类别Ⅲ类，设计地震分组为第三组，场地特征周期为0．65，抗震设防烈度分别选取6度和8度，对应的设计地震加速度0．05g和0．20g，地震影响系数最大值0．04和0．16。

依据GB 50322—2011粮食钢板筒仓设计规范(简称《粮规》)以及GB 50884—2013钢筒仓技术规范(简称《钢规》)中的相关规定，6度与8度抗震设防烈度时，计算得钢板仓不同计算深度处的筒壁的环向应力设计值σt、竖向应力设计值σc以及折算应力设计值σzs见图1。

图1　按规范计算筒壁的各应力设计值

仓壁环向应力设计值、竖向应力设计值以及折算应力设计值均小于所用钢材的抗拉或抗压强度设计值f=310 N/mm2，说明该水泥钢板仓在水泥贮料、钢板自重以及地震作用的荷载组合下，其仓壁强度满足《粮规》和《钢规》的要求。另外，抗震设防烈度增加时，仓壁所受的环向应力没有发生变化，而竖向应力及折算应力随着设防烈度的增大而增大。这说明规范在计算钢板仓地震作用时没有考虑地震中物料对仓壁环向作用的影响。

3　地震作用下的水泥钢板仓有限元分析

选用ABAQUS建立水泥钢板仓三维实体模型，分别建立钢板仓仓壁、水泥储料以及底板的模型，通过设置接触建立三者的关系。有限元分析采用时程分析法，对模型需输入水平向地震波，选用El-centro水平地震波(前16 s)沿模型X方向施加，El-centro地震波加速度峰值为341 cm/s2，而在多遇地震下6度和8度抗震设防烈度(设计基本加速度0．20g)时程分析时采用的最大地震加速度分别为18 cm/s2和70 cm/s2。

抗震设防烈度分别为6度和8度时，沿仓壁高度的有限元计算的应力分布曲线与按新规范计算的应力分布曲线的对比见图2。

图2　各应力对比

可知，有限元计算的结果与按规范计算的结果仓壁的各应力分布规律基本一致，按规范计算的结果均要明显大于有限元计算的结果，这说明物料与仓壁的摩擦以及物料的自身刚度对地震能量的消耗不容忽略。而环向应力和竖向应力分布有着一些显著的不同。

在环向应力分布曲线中可知，6度和8度抗震设防烈度，规范计算的仓壁环向应力是保持不变的，而有限元计算的是随地震烈度增大而增大的，说明规范并没有考虑地震中物料的晃动对仓壁环向应力的影响而有限元软件考虑了。

在竖向应力分布曲线中可知，有限元计算的结果和规范计算的结果在仓顶和仓底处出现了显著的不同。仓顶附近，有限元计算的竖向应力出现不减反增的现象，是由于水泥物料的弹性模量远小于钢材的，物料发生了沉降，使得仓顶出现了弯曲内力，而规范没有考虑薄壳弯曲内力的影响。仓底附近，有限元计算的竖向应力突然增大，比规范计算的结果都要大，这也是由于有限元计算时同时考虑了薄壳结构弯曲内力和薄膜内力的作用而规范只考虑薄膜内力的作用。

4　结语

通过运用ABAQUS对地震作用下的钢板仓进行时程分析与规范结果对比，发现软件计算出的仓壁应力情况基本小于按规范计算，说明储料与仓壁的摩擦作用以及储料的刚度对地震中的能量起耗散作用;有限元计算考虑到了地震中储料的振动对仓壁环向应力的影响、储料的沉降以及薄壳结构弯曲内力对仓壁应力的影响而规范对此却并未涉及。

参考文献:

［1］GB 50322—2011，粮食钢板筒仓设计规范［S］．

［2］GB 50884—2013，钢筒仓技术规范［S］．

［3］谷尚玲．大型钢板库抗震性能分析［D］．武汉:武汉理工大学，2012．

［4］于洋．钢筋混凝土圆筒仓仓壁结构的地震反应分析［D］．西安:西安科技大学，2012．

［5］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．北京:机械工业出版社，2006．

［6］胡聿贤．地震工程学［M］．北京:地震出版社，2006．

On seismic role of large floor-stand steel silo

Liu ZhenhuaFu YingjuanWang TaoZhang Zhen
(School of Civil Engineering and Water Conservancy，Shandong University，Jinan 250061，China)

Abstract:Combining with some floor-stand cement steel silo project，the paper adopts the finite element software ABAQUS to establish the threedimension silo model，adopts the time-procedure method to undertakes the seismic analysis on the steel silo，and explores the anti-seismic performance of the steel silo according to the design regulations of the steel silo，so as to provide some reference for the anti-seismic design of the floor-stand steel silo．

Key words:floor-stand steel silo，ABAQUS，time-procedure analysis

作者简介:刘振华(1963-)，男，博士，副教授;付迎娟(1989-)，女，在读硕士;王涛(1990-)，男，在读硕士;张震(1992-)，女，在读硕士

收稿日期:2015-10-24

文章编号:1009-6825(2016)01-0050-02

中图分类号:TU352．11

文献标识码:A