大型预应力混凝土筒仓日照温差作用研究

温浩源 安旭文 杨 力 陆益锰

(武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

大型预应力混凝土筒仓日照温差作用研究

温浩源 安旭文 杨 力 陆益锰

(武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

为探究一种较为完善合理的大型钢筋混凝土筒仓日照温差作用计算方法，对大型预应力混凝土贮煤筒仓进行了日照温差分布模拟和有限元计算分析,研究结果表明：日照温差作用下，筒仓结构在环向主要承受环向压力，环向压力呈筒仓顶层和底层两头大、中间小的规律分布；在0°<θ<180°区域内，筒仓结构同一高度、同一种类型的内力从日照面向背阴面呈递减规律变化。

预应力混凝土,贮煤筒仓,日照温差,温度应力

0 引言

在大型钢筋混凝土贮煤筒仓甚至巨仓设计中，如何考虑日照温差作用引起的内力常常成为结构难题。目前，对于日照温差在大型钢筋混凝土筒仓结构中所引起的温度应力鲜有研究，在设计大型钢筋混凝土筒仓时如何合理地考虑日照温差作用并没有得到很好地解决。我国现行GB 50077—2003钢筋混凝土筒仓设计规范[5](以下简称“筒规”)规定，无实践经验时，环境温度作用按永久荷载计算，直径21 m～30 m的筒仓在温度作用下引起的环向拉力可按其在储料荷载作用下的最大环拉力的6%计算，直径大于30 m的筒仓可按8%计算。随着筒仓直径的增大及各种新的筒仓结构形式的出现，大直径钢筋混凝土贮煤筒仓的温度应力问题变得尤为复杂[6]，“筒规”所提出的考虑筒仓温度作用的方法以及所设置温度应力的条件，对于大型或者超大型筒仓是否适用，需要进一步研究。因此，对大型钢筋混凝土筒仓结构在日照温差作用下的内力分布规律进行深入研究具有重要的工程意义。本文将对日照温差作用下的筒仓结构进行有限元模拟计算和分析，研究日照温差作用下大型钢筋混凝土筒仓结构的内力分布规律，探究合适的日照温差作用有限元计算方法。

1 筒仓仓壁的环境温度作用

1.1 筒仓仓壁的环境温度分类

处于气候和环境比较恶劣矿区中的钢筋混凝土贮煤筒仓，由于长期受到太阳辐射以及外界温度变化的影响，使得筒仓结构表面和内部各处温度都处于不断变化之中[8]。筒仓是暴露在大气中的构筑物，其环境温度作用主要有仓壁内外温差、中面季节温差和日照温差。

暴露于大气中的大型钢筋混凝土筒仓，筒仓的阳面和阴面会承受一定的日照温差，日照温差主要是由于筒仓结构各部位所受太阳辐射强度不同引起的温度差值。日照和气温在圆形筒仓结构内形成的温度场，实际上是随时间而变化的。因此，筒仓结构所受的最大日照温差实际上是筒仓结构某一特定时刻的温度分布状态。鉴于此，本文对仓壁在日照温差作用下的受力性能进行研究和探讨。

1.2 筒仓仓壁的日照温差计算

在太阳辐射作用下，筒仓结构不同区域的温度分布是极不均匀的，筒仓结构日照温度应力计算的难点之一就是如何合理模拟日照温度场，确定筒仓结构在日照作用下的温度作用大小和环向温差分布规律。工业循环水冷却塔与混凝土筒仓结构相似，同属筒式特种钢筋混凝土结构。为此，参照GB/T 50102—2003工业循环水冷却设计规范[9]对冷却塔的筒壁在夏季日照下的温度应力计算方法，研究筒仓仓壁结构在日照温差作用下的受力状况，日照作用下筒仓仓壁的温差可近似按筒高为恒值，日照温差的计算公式见式(1)。筒仓结构日照温差的环向分布示意图如图1所示。

(1)

其中，tb(θ)为任意计算点的仓壁温差,℃；θ为计算点的极坐标；tb(0)为太阳垂直照射面θ=0°处的仓壁温差，可按10 ℃～15 ℃计算，本次分析取tb(0)=15 ℃。

2 大型预应力混凝土筒仓温差作用计算分析

2.1 筒仓工程概况

某5万t大型预应力混凝土贮煤筒仓地上主体结构分为筒壁、环形锥、仓壁、斗壁、中心柱和仓顶盖六大部分。筒仓下支承选用筒壁与内柱共同支承的结构形式，筒仓底部设有环形斗壁出料口，仓壁和漏斗壁结构部位采用无粘结部分预应力混凝土结构。筒仓外直径为45 m，主体结构高50 m，仓壁厚0.55 m，筒壁厚0.6 m，漏斗壁厚0.6 m。筒仓混凝土设计强度等级为C40，混凝土弹性模量Ec=3.25×104N/mm2，泊松比为υ=0.167，混凝土的线膨胀系数αc=1.0×10-5/℃，导热系数为1.74 W/(m·K)。贮煤内摩擦角φ=40°，贮煤容重γ=10 kN/m3。

2.2 筒仓结构日照温差作用有限元计算与分析

2.2.1 筒仓结构日照温差作用有限元计算

鉴于目前“筒规”对筒仓温度作用的考虑是以贮料荷载作用下仓壁最大环向力的8%作为计算依据，本文进行筒仓结构在日照作用下的有限元分析时，先采用有限元软件ANSYS对筒仓结构在日照温差作用下的应力进行计算，然后与储料荷载作用下的最大应力状态进行比较分析。

采用大型有限元软件ANSYS计算筒仓结构在日照温差作用和贮煤荷载作用下的应力时，采用三维块体单元(Solid185)模拟筒仓结构实体，温度可作为单元体力作用在单元节点上，贮料压力可作为面力加载在单元面上，正压力指向单元内部，计算结果可真实地反映筒仓结构的实际受力状况。本文重点研究筒仓上部结构，不考虑地基、基础与上部结构的共同作用，即筒仓底部按固定约束处理。筒仓有限元实体模型如图2，图3所示。由此求得在日照温差作用下筒仓环向应力分布如图4所示。贮煤荷载作用下筒仓环向应力如图5所示(贮煤侧压力按照“筒规”介绍的方法计算)。筒仓结构在日照温差和贮煤荷载作用下的应力极值见表1。

表1 筒仓结构在日照温差和贮煤荷载作用下的应力极值 N/mm2

由图4可知，筒仓仓壁在日照温差作用下，筒仓结构内、外表面的受力状况具有显著差异。仓壁外表面受日光照射的区域承受拉应力，最大环向拉应力值为3.1 N/mm2；仓壁外表面其他未受日光照射的区域大部分承受压应力，相应的最大环向压应力值为6.8 N/mm2，位于筒壁结构根部。仓壁内表面承受拉应力，最大环向拉应力区域位于仓壁结构上部和斗壁根部(即斗壁与仓壁下环梁连接部位)，最大环向拉应力值为3.1 N/mm2。

由筒仓结构分别在日照温差作用和贮煤荷载作用下的计算结果可知，日照温差在筒仓仓壁中引起的最大拉应力是贮煤散料荷载在仓壁中引起的最大拉应力的69%，日照温差在筒仓筒壁中引起的最大拉应力是贮煤散料荷载作用下最大拉应力的75%。均远大于“筒规”8%的计算规定。由此可见，日照温差对大型钢筋混凝土筒仓结构的影响较大，是筒仓结构配筋设计中不可忽视的重要工况之一，“筒规”中对筒仓温度作用的计算方法对于大型整体式混凝土筒仓而言并不合理。

2.2.2 筒仓结构在日照温差作用下的内力结果分析

由于筒仓结构不同部位的日照温差与偏离太阳垂直照射面的角度有关，并且筒仓结构日照温差分布具有对称性，因此可沿着筒仓结构环向选取0°，90°，180° 3个不同方位的计算截面，通过单位高度的仓壁截面应力积分来提取筒仓结构内力。筒仓结构计算截面内力包括环向轴力N1、环向弯矩M1和竖向轴力N2、竖向弯矩M2。筒仓结构沿环向计算截面位置示意图见图6。日照温差作用下筒仓结构不同方位角计算截面的环向轴力、环向弯矩、竖向轴力、竖向弯矩沿筒仓高度变化规律如图7～图10所示。

结合图7～图10分析可知：

1)日照温差作用下，筒仓结构不同方位角计算截面内力沿筒仓高度变化规律大致相同。在0°<θ<180°之间的区域，筒仓结构同一高度、同一种类型的内力从日照面向背阴面呈递减规律变化。

2)筒仓结构在日照作用下的内力很大，最大环向压力达到1 738.9 kN，位于筒仓结构49.850 m高度处；最大环向弯矩达590.9 kN·m，位于筒仓结构14.830 m高度处；最大竖向轴力达1 373.8 kN，位于筒仓结构49.850 m高度处；最大竖向弯矩达706.9 kN·m，位于筒仓结构16.160 m高度处。由此可见日照温差对大型混凝土筒仓结构影响显著，在大型混凝土筒仓设计时应该重视日照温差作用对筒仓结构的影响。

3)结合图7分析可知：日照温差作用下，筒仓结构环向主要承受环向压力，环向压力的规律分布是在筒仓顶层和底层两头大、中间小。筒仓温度作用产生的温度应力包括温度自应力和温度变化产生的次应力。无论是静定结构还是非静定结构，只要温度分布均匀，都不会产生温度自应力。在静定结构中，混凝土截面上只有相邻微元变形不一致导致的相互约束，所以非线性的温度变化会在静定结构中产生温度自应力；而筒仓属于薄壁壳体结构，结构的变形会因为多余约束的影响而产生温度次应力。

3 结语

通过对大型预应力混凝土贮煤筒仓进行日照温差作用有限元计算分析，可以得出以下主要结论：

1)在日照温差作用下，筒仓结构内、外表面受力状况具有显著差异性。

日照温差对大型钢筋混凝土筒仓结构的影响较大，“筒规”对筒仓温度作用的计算方法并不适用于大型整体式混凝土筒仓。对于温差变化较大、结构复杂的大型或巨型整体式混凝土筒仓在进行结构设计时，可以根据具体温度条件和实践经验，采用有限元方法建立实体模型进行受力分析，然后再进行配筋设计和抗裂验算。

2)日照温差作用下，筒仓结构不同方位角计算截面内力沿筒仓高度变化规律大致相同。

在0°<θ<180°之间的区域，对于筒仓结构同一高度、同一种类型的内力从日照面向背阴面呈递减规律变化。

3)采用有限元法计算日照温差作用引起的筒仓结构内力，在计算精度上可以得到很好保证，结构内力可以通过划分计算截面并采用截面应力积分得到，此方法非常方便设计人员进行大型钢筋混凝土筒仓结构配筋设计。

[1] 彭雪平.巨型贮煤筒仓的有限元分析[J].特种结构,2005,22(4):41-42.

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[3] 夏广政,夏冬桃.巨型贮煤筒仓在环境温度作用下的有限元分析[J].空间结构,2006,12(1)：62-65.

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[5] GB 50077—2003，钢筋混凝土筒仓设计规范[S].

[6] GB 50322—2011,粮食钢板筒仓设计规范[S].

[7] 杨 力,侯建国,李 扬，等.基于预应力度的大型预应力混凝土筒仓设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2014,38(2)：189-194.

[8] Julia M. Mora n, Andre s J, Rita R. Effects of Environmental Temperature Changes on Steel Silos [J].Biosystems Engineering,2006,94(2):229-238.

[9] GB/T 50102—2003,工业循环水冷却设计规范[S].

The research of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo

Wen Haoyuan An Xuwen Yang Li Lu Yimeng

(SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

In order to find a reasonable calculation method of sunlight temperature difference on the large prestressed concrete coal silo, this paper proceeds the distributed simulation and finite element analysis of the coal silo. This research results show that, with the effect of sunlight temperature difference, the silo structure is mainly under the circular pressure which distribute in both top and bottom of a silo with two big ends and a small middle. In the area of 0°<θ<180°, the internal force from the same height and same type of a silo changes with the declining rule from sunlight side to the shady parts.

prestressed concrete, coal silo, sunlight temperature difference, temperature stress

2015-02-26

温浩源(1988- )，男，在读硕士； 安旭文(1970- )，男，副教授； 杨 力(1988- )，男，在读硕士； 陆益锰(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)13-0038-04

TU378.7

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