方形混凝土储仓分仓仓壁静压力有限元分析

张林杰,曾长女

河南工业大学 建筑与土木工程学院 (郑州 450001)

方形混凝土储仓分仓仓壁静压力有限元分析

张林杰,曾长女

河南工业大学 建筑与土木工程学院 (郑州 450001)

以某工程为实例，用有限元软件建立模型，对粮食分仓储存进行了研究，对方仓在使用阶段的应力分布和位移变化进行数值模拟计算，并对计算结果进行分析研究，所得的分析结果可供粮食进行分仓储存时提供借鉴。

方仓；分仓储存；变形；应力

根据新形式下粮油安全储藏的需要，形成新的“五分开”(种类、品种、等级、生产年度、水分)这样做的目的是为了防止品种混杂、利于保持粮油本身的品质，防止混装造成的粮堆内的品质不均匀，引起不良情况的发生，危及到储粮安全；为粮油安全储藏和合理利用提供保障，粮食分仓收储模式新仓型进行粮食储藏，可有效解决粮食产后流通、加工存在着数量损失严重、能耗较高、品质质量不稳定等问题一系列技术难题，并引导粮食产前的集约化经营。

1995年，戴国光提出钢筋砼方仓按深梁设计[1]；2009年，毛丁涛通过分析和计算完成了方形混凝土群仓的结构选型，其次得到群仓在不同荷载下的结构影响，并找到方形群仓的最不利组合，施加预应力，形成方形预应力混凝土储煤群仓[2]；2010年，罗宇东研究了重点介绍了方形煤仓并列群仓贮煤技术，将方形煤仓并列群仓贮煤方式与其他主要贮煤方式做了技术经济比较，阐述了方形煤仓并列群仓贮煤技术在大型燃煤电厂的使用条件[3]；2015年，林亚松，杨志敏把筒、方仓各自优点结合在一起创新一种新的仓型-正方形方仓，通过分析和计算，证明了正方形方仓比现有的筒仓、方仓的优越性，可以降低投资、节约作业成本、提高经济效益等优点[4]。2016年，江世哲等研究表明新型钢结构方仓与圆形混凝土筒仓相比，具有造价优势，市场应用前景广阔的的优势[5]。因此方形砼群仓在贮粮中有着很大的应用前景，对粮仓等相关贮料仓的设计提供借鉴意义。

1 有限元模型建立

1.1 工程概况

本文的工程实例以某粮仓为研究背景，粮仓共4层，其中第3层为储粮层，本文取第3层为重点来研究粮食的分仓储存，高10.8 m，柱距为10 m×10 m，柱的截面尺寸为0.5 m×0.5 m，每隔5 m处设有混凝土仓壁，仓壁厚0.25 m，仓板厚0.18 m，梁距分别为1.7 m，1.6 m，1.7 m，以此类推；周边的跨梁截面尺寸为0.35 m×1 m，次梁的截面尺寸为0.25 m×0.6 m，混凝土柱采用C40混凝土，弹性模量为32.5 kPa，泊松比为0.2，重力密度为2 400 kg/m3；其余均使用C35混凝土，弹性模量为31.5 kPa，泊松比为0.2，重力密度为2 390 kg/m3[6]。本文取100 m2，即一个柱距；为对象研究分仓储粮的不同工况下结构变形规律和应力分布规律进行分析。梁柱的分布见图1。

图1 梁柱的分布示意

1.2 模型的建立

本文利用ABAQUS有限元软件对筒仓结构进行数值分析。粮仓是钢筋混凝土结构，本文中的模型研究的重点仓板和仓壁都采用四节点减缩积分壳单元S4R，梁和柱采用三维两点线性梁单元B31[7]，仓板和仓壁合并成一个部件，梁和柱合并成一个部件，两个部件之间使用绑定约束(tie)组合成。

(1) 约束确定及荷载施加

在粮仓结构模型的一个部位施加约束：在数值模拟中，把柱底部边界条件考虑成刚结固定端。

(2)仓底荷载的施加

仓底荷载 本筒仓模型的荷载主要有结构重力荷载、粮食荷载。前面已经定义了材料的属性，结构的重力荷载可以计算出。粮食荷载在模型结构中是以压力的形式出现，在楼板处产生竖向压力，粮仓高度为10.8 m，以储存小麦为例，粮食容重取8 kN/m3[8]，则仓底板承受粮食荷载：8×10.8=86.4 kN/m2。

(3)仓壁荷载

在仓壁处承受粮食水平压力与竖向摩擦力[9]。本文以平堆散粮食计算仓壁承受的粮食荷载如图2所示。

平堆散装粮食对于计算深度s处仓壁产生的水平压力标准值为：

Ph=k·s

(1)

(4) 计算深度s处粮食作用于仓壁单位面积上的竖向摩擦力标准值为：

Pf= kγstanδ

(2)

式中：s为储粮顶面至计算截面的距离，m；γ为储粮的重力密度，kN/m2；δ为粮食对灰砂粉刷面的外摩擦角；k粮食侧压力系数，k=tan2(45°-φ/2)；φ为粮食内摩擦角；当储粮为小麦时，具体参数选取见表1。

表1 粮食参数取值表

参照以上公式，对模型在LOAD模块施加相应的竖向力，对仓壁的水平力和竖向摩擦力，如图2所示；向下的箭头是施加的相应位置的摩擦力，图中的梯形荷载表示仓壁所受到的粮食造成的由上到下逐渐增大的侧向力。整体如图3。

(5)五种分仓工况

如图3所示，筒仓正常工作时共有5种不同工况，为方便表明不同工况，分别给4个仓标号(图4)。

不同工况组合见表2。

图2 平堆散装粮食对仓壁产生的荷载

图3 模型荷载施加图

图4 筒仓标号示意

表2 工况表

2 计算结果与分析

2.1 仓板、壁的应力与变形

在结构受力最大的四仓同时工作状态下，楼板上的最大应力集中在隔板底部两侧，仓壁上的应力主要集中在底部4个仓角处，从上到下逐渐变大，在有底板约束的仓壁低端应力达到最大，最大位移分布在各单仓的底板中心处，变形从中间部位沿四周呈均匀递减趋势，如图5、图6所示其它工况的应力分布和四仓的应力分布基本相似。

图5 筒仓整体应力图

图6 筒仓整体位移图

图7 仓壁应力随高度变化图

图8 仓壁位移随高度变化图

(1)仓壁沿高度方向上的应力

从图7可以看出，从仓壁底部到仓壁顶部应力逐渐减小，单仓从2.02 MPa、双仓对角从2.01 MPa、邻仓从2.12 MPa、三仓从2.3 MPa、四仓从2.47 MPa逐渐减小到0。双仓对角和邻仓虽然都是两个仓同时工作，但应力曲线趋势却相差较大，总体来说四仓的应力曲线趋势最大，单仓最小，说明仓壁应力主要由粮食荷载控制。

(2)仓壁沿高度方向上的位移

从图8所示可以看出由于筒仓顶部没有楼板的约束，所以不为0，而是根据不同工况而有所不同；在接近筒仓底部出现明显较大变形，工况一到工况五的最大位移分别为0.32 mm、0.37 mm、0.39 mm、0.56 mm、0.61 mm。

2.2 柱和梁的应力和位移

柱和梁的应力和位移云图见图8和图9。

由图9、图10所示可知，梁的应力和位移分布情况和筒仓整体的应力和位移分布情况相吻合，说明模型中筒仓的板和壁与梁和柱的接触良好；应力集中在主梁与次梁的交接处，此处受力较大，应加强配筋；位移主要发生在次梁与仓板底部接触的中心处，此处位移较大，应采取相应的加强措施，增加强度减少位移，从而加强结构的稳定性。

图9 梁柱应力图

图10 梁柱位移图

3 不同柱距的对比分析

结构的最大受力部位和最大变形部位是底板，结构使用的C35混凝土的轴心抗压强度设计值为16.7 N/mm2，所以当结构的应力16.7 N/mm2时，认为结构达到承载极限，为了研究结构的极限承载能力，分别对10 m×10 m柱距的扩展模型和15 m×15 m柱距的扩展模型底板施加的荷载逐渐增至结构的承载极限，并对以下因素进行对比分析了：

(1)位移影响范围：10 m×10 m柱距结构在四仓同时工作时位移的影响半径约为13 m，15 m×15 m柱距位移影响半径约为17 m。

(2)极限荷载：通过有限元模拟，确定10 m×10 m柱距的底部极限荷载为1 550 kN/m2，15 m×15 m柱距的底部极限荷载为590 kN/m2，10 m柱距比15 m柱距的承载能力大约2.6倍。

柱距10 m×10 m的结构极限荷载模型见图11和图12。

柱距15 m×15 m的结构极限荷载模型见图13和图14。

4 结论

通过运用ABAQUS有限元软件对筒仓分仓储存形式进行了研究，得到了如下结论：

图11 10 m×10 m 柱距应力图

图12 10 m×10 m柱距位移图

图13 15 m×15 m柱距应力图

(1)仓壁越靠近底板约束的位置，应力越大，仓底位置仓壁应力达到最大。

(2)方仓底部的仓壁和底板连接处受力比较集中应采取加强措施，提高结构的稳定性和安全性。

(3)筒仓的5种储藏方式仓壁应力最大的为工况四为2.47 MPa，小于C35混凝土楼板的轴心抗压设计值16.7 MPa/m2，所以可以说明这5种不同工况的受力虽有大小之分，但是，都在混凝土所能承受的强度范围之内，即五种不同工况都可以安全使用。

图14 15 m×15 m柱距位移图

(4)工况二(对角)和工况二相比较，仓壁位移分别为0.37 mm和0.39 mm相差无几，但应力分别为2.01 MPa、2.12 MPa相差相对较大。所以当实际情况中确实需要两个筒仓一起工作时，应尽量使用工况二(对角)的储存方式，以减少对混凝土结构的损伤和破坏。

(5)通过结构优化分析，发现10 m×10 m柱距和15 m×15 m柱距两种结构方案都能满足结构正常使用，但10 m柱距比15 m柱距的承载能力大约2.6倍。

[1] 戴国光. 钢筋砼方仓按深梁设计的成功尝试[J]. 粮食与食品工业,1995(3):37-41.

[2] 毛丁涛.方形混凝土储煤群仓应用研究[D].南京：东南大学，2009.

[3] 罗宇东. 方形煤仓并列群仓贮煤技术在大型燃煤电厂的应用[J]. 华电技术,2010,32(12):64-67.

[4] 林亚松,杨志敏. 仓型创新-正方形方仓方案可行性探讨[J]. 现代食品,2015(12):42-48.

[5] 江世哲. 新型钢结构方形煤仓应用研究[J].工业建筑,2016(46)：698-700.

[6] 程文瀼，王铁成，颜德姮. 混凝土结构设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[7] 费 康，张建伟. ABAUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[8] 王振清.粮食建筑基本理论与设计[M].郑州:河南科学技术出版社，2015.

[9] 张庆章，仇新义，王振清. 粮食荷载作用下楼房仓结构的变形和应力分析[J].河南科学,2016,34(8):1265-1269.

Analysis on finite element of static lateral pressure in square concrete silos

Zhang Linjie, Zeng Changnv

Henan University of Technology Institute of Architecture and Civil Engineering (Zhengzhou 450001)

By taking a project as an example, using finite element software to build model, the warehouse storage of grain was studied, and the numerical simulation of stress distribution and displacement on the granary in normal working were studied. The results can be used for grain storage.

square storehouse; branch warehouse; deformation; stress

2017-03-02

粮食公益性行业科研专项(项目编号：201513001)；河南省高校青年骨干教师资助计划(项目编号：2011GGJS-080)。

张林杰，男，1992年出生，研究生，研究方向为土木工程。

TU318

B

1672-5026(2017)03-045-05