球形薄壳混凝土储仓系统的有限元分析.ppt

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,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

3、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,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：,、,（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,（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

4、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GB500092001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系数,（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

5、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,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

6、,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

7、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

8、物是法拉利1302型膜材。 弹性模量E=1155MPa，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

9、筋为强度控制，仓壁经向配筋均为构造配筋。,（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700mm2，按构造配筋。,（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。,（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%

10、，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 。,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65m，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,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,（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