地下粮仓结构虚拟仿真实验教学资源建设

咸庆军， 陈俊旗， 崔伟华， 庞 瑞

(河南工业大学 土木建筑学院， 河南 郑州 450001)

地下粮仓结构虚拟仿真实验教学资源建设

咸庆军， 陈俊旗， 崔伟华， 庞 瑞

(河南工业大学 土木建筑学院， 河南 郑州 450001)

在河南工业大学土木建筑虚拟仿真实验教学中心的建设中，重点对地下粮仓结构的虚拟仿真实验教学资源进行了建设，包括地下粮仓建造过程仿真实验、钢筋混凝土地下粮仓结构受力性能数值仿真实验和地下粮仓储粮生态环境数值仿真实验。3个虚拟仿真实验相互联系，从而为地下粮仓结构的实验教学提供良好的素材，为地下粮仓的推广应用奠定基础。

地下粮仓结构； 虚拟仿真实验； 受力性能； 绿色节能

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神，根据《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》，河南工业大学结合自身在土木建筑专业方面的办学特色，开展了土木建筑虚拟仿真实验教学中心的建设工作[1-2]。

河南工业大学是我国粮食行业的特色高校，在建筑工程结构，特别是在平房仓、楼房仓、浅圆仓、立筒仓、地下仓等储仓结构的教学、科研和推广应用方面实力雄厚。由于钢筋混凝土地下粮仓具有温度低、对粮食及环境污染少、稳定性好等特点，因而成为现阶段绿色储粮、节能减排的理想仓型，其建设及推广应用正逐渐展开[3-4]。学校对地下粮仓结构的教学——特别是实验教学部分非常重视，在建设土木建筑虚拟仿真实验教学中心的过程中，对地下粮仓结构的虚拟仿真实验教学资源进行了重点建设[5-6]。

土木建筑虚拟仿真实验教学中心的实验资源分为基础型、专业型和特色创新型，储仓结构虚拟仿真模块是特色创新实验资源的特色模块，包括地下粮仓建造过程仿真实验、钢筋混凝土地下粮仓结构受力性能数值仿真实验和地下粮仓储粮生态环境数值仿真实验等3个相互联系的虚拟仿真实验项目。通过这3个虚拟仿真实验，学生能够全面了解和掌握地下粮仓结构的分析计算、设计建造、正常使用环节的要点，从而为地下粮仓在实际储粮工程中的推广应用奠定坚实基础。

1 地下粮仓结构的研究及应用

早期出现的地下粮仓包括矩形筒围仓和半圆筒围仓。地下矩形筒围仓虽然仓容量大，可以实现大规模储粮[7]，但是其受力不尽合理，在转角处会产生较大弯矩；经过优化的半圆筒围仓受力性能大为增强[8]。但是，这2种仓型都存在施工难度大的问题，因而没有得到实际推广应用。

在矩形筒围仓和半圆筒围仓的基础上，产生了地下大直径圆形筒仓。由于圆筒结构受力合理，可以充分发挥材料性能，成为非常理想的地下粮仓形式。近年来，国内学者对钢筋混凝土地下圆形粮仓进行了诸多研究，包括仓顶结构、仓壁结构及仓底板结构的受力性能分析[9-10]，以及对储粮生态环境的研究等[11-12]。而国外由于粮食储备需求较小，对钢筋混凝土地下粮仓这种新的仓型研究较少。

2015年，在郑州市中牟县河南金地集团粮食物流园区内建造了国内首个地下模拟试验仓，进一步研究和解决地下粮仓在设计、施工以及运营阶段出现的问题，目前正处于推广应用阶段。

2 地下粮仓结构的实验教学

《粮仓建筑基本理论与设计》是国家“十二五”重点图书出版规划项目《粮油储藏与加工创新技术丛书》中的一本特色专业教材，其主要内容包括粮食筒仓的储粮压力分析、根据筒仓建筑结构材料分类的砌体筒仓结构设计、钢筋混凝土筒仓结构设计以及钢板筒仓结构设计[13]。在该教材“钢筋混凝土筒仓结构设计”一章中，主要针对地上筒仓结构进行了介绍与分析，没有关于地下粮仓结构的内容，但是对地下粮仓结构的设计有一定的借鉴与指导作用。

在实验教学方面，由于钢筋混凝土地下粮仓结构体量较大、构造复杂，而且还受到地下水土压力的作用，无法在实验室开展相关实验。金地集团建造的地下模拟试验仓虽然可以进行实验教学，但由于施工周期长、环境复杂、危险性大，只能进行参观式教学，实际教学效果不尽如人意。而通过虚拟仿真实验，学生在掌握理论知识的基础上，能够在较短的时间内全面了解和掌握实践知识，大大提高学习效率。

3 地下粮仓结构虚拟仿真实验教学资源建设

3.1 地下粮仓建造过程仿真

本实验根据不同钢筋混凝土地下粮仓结构的图纸资料，结合现场施工特点确定施工方法，并对不同施工方法进行动画模拟，有助于学生理解和掌握地下粮仓的建造过程。常用的施工方法包括放坡明挖法、护筒支护明挖法、锚桩支护明挖法和土钉支护明挖法[14-16]。

放坡明挖法适用于场地比较开阔、地基土质较好、开挖深度不足8 m的基坑工程。基坑采用纵向分段、横向分块、竖向分层，先对称放坡开挖两侧，再开挖中间预留土体，最后开挖至基底，采用台阶式整体推进开挖。在基坑开挖过程中，根据地质情况及开挖深度选取合理的放坡坡度，由下至上逐层变缓，使开挖后的土体达到新的平衡状态，从而维护基坑的稳定状况，同时无需设置横向支撑，以减少工程造价。如图1(a)所示，当基坑开挖至基底后，先施工锥形仓底板，接着施工上部圆筒仓壁及仓顶盖，最后回填土至仓顶盖以上即施工完毕。

图1 钢筋混凝土地下粮仓施工方法仿真

护筒支护明挖法适用于场地不大、土质较好的基坑工程。由地下粮仓外径确定开挖圆形区域后，首先根据土质情况开挖一定深度，在坑壁周围浇筑混凝土圆形护筒，然后继续开挖一定深度土体并浇筑混凝土护筒，就这样沿深度方向从上向下逐层开挖并浇筑护筒，直至达到基底设计标高。如图1(b)所示，在挖好的基坑内，从下向上建造地下粮仓结构，最后在护筒与粮仓结构之间回填土至仓顶盖以上即可。

锚桩支护明挖法适用于深度较大、土质较差、周围施工环境复杂的基坑工程。如图1(c)所示，首先在施工区域放坡开挖一定深度，然后采用专业机械在基坑周围逐次施工钢筋混凝土钻孔灌注桩，同时在相邻两根灌注桩之间施工高压旋喷桩以提高防渗止水能力，并在桩顶设置钢筋混凝土冠梁。随着开挖过程的进行，在一定设计深度处钻孔灌注桩之间设置腰梁，然后采用传统锚杆或预应力锚杆锚固到周围稳定地层中，接着向下一直开挖至基底设计标高，最后在基坑内建造地下粮仓结构并进行回填。

土钉支护明挖法适用于地下水位以上或经过排降水措施后的杂填土、普通黏性土、非松散沙土边坡及深基坑工程。如图1(d)所示，首先按照设计要求对基坑采用分层机械开挖并辅以人工修整坡面，然后在坡面上进行钻孔、清孔、置筋及注浆等土钉施工过程，接着绑扎钢筋网并与土钉牢固连接，最后喷射混凝土面层达到设计厚度要求。土钉支护结构是沿基坑深度方向从上向下分层施工的，首先开挖一定深度土层，并在本层上设置土钉，待喷射混凝土达到一定强度后，再开挖下一层土体，重复进行这些工序直至施工到基底为止，最后在形成的基坑内建造地下粮仓结构并进行回填即可。

3.2 钢筋混凝土地下粮仓结构受力性能数值仿真

本实验利用有限元分析程序ABAQUS模拟钢筋混凝土地下粮仓结构在静力荷载作用下的响应，采用实体单元模型分析结构的变形及应力分布特征，全面掌握地下粮仓结构的受力性能(见图 2)。

图2 钢筋混凝土地下粮仓结构三维实体模型仿真

选取的钢筋混凝土地下粮仓是河南金地集团建造的地下模拟试验仓，地下粮仓外径25.70 m，仓顶盖为梁板结构，板厚160 mm，上部圆筒仓壁厚度250 mm，下部圆筒仓壁厚度350 mm，锥形仓底板厚度500 mm，仓体总深度20.06 m。仓顶恒荷载和活荷载考虑上覆土及进出粮设备的作用，仓壁及仓底板的侧向荷载考虑地下水和土的侧压力。

由于实际粮仓的形式和构造较为复杂，在建立几何模型时进行了适当简化。混凝土选取三维8节点线性减缩积分单元C3D8R，根据地下粮仓实际的受力和变形特点施加荷载并确定约束形式，从而建立起粮仓结构的三维有限元实体模型(见图2(a))。

为了增强地下粮仓结构在加载过程中静力响应变化的直观性，其变形及应力分布变化情况采用动画显示，如图2(b)—(d)所示，图中仅表示最大荷载作用下的受力状态。由图2分析可知地下粮仓结构整体变形和应力分布特点、最大变形和应力数值及出现部位，进而判断粮仓刚度及强度是否满足规范要求、混凝土是否会出现裂缝、哪个部位是薄弱环节及如何处理等，从而达到全面掌握地下粮仓结构受力性能的目的。

3.3 地下粮仓储粮生态环境数值仿真实验

本实验采用CFD数值模拟方法建立钢筋混凝土地下粮仓的物理模型，模拟不同条件下的储粮生态环境[11]，为地下粮仓的安全储粮提供依据。

选取的钢筋混凝土地下粮仓外径25.70 m，仓顶盖为梁板结构，板厚250 mm，圆筒仓壁厚度350 mm，锥形仓底板厚度800 mm，粮仓结构总高度20.25 m，总深度24.25 m。地下粮仓中央设有钢筋混凝土管道，外径1.25 m，壁厚250 mm，用作机械通风和进出粮通道。

根据已知的物理条件，所建立的地下粮仓三维物理模型如图3(a)所示。首先，模拟机械通风情况下地下粮仓内部温度场的变化规律(见图3(b))；然后，模拟准静态情况下地下粮仓内部温度场的变化(见图3(c))；最后，利用地下粮仓的实测温度来验证数值模型的可靠性，并分析地下粮仓围护结构传热的参数敏感性，进而对相关热工参数进行优化设计。

图3 钢筋混凝土地下粮仓储粮生态环境仿真

4 结语

通过地下粮仓结构虚拟仿真实验教学资源建设和教学实践，充分体现出虚拟仿真实验教学是真实实验教学和现场实践教学的有效补充，能够切实提高教学质量和教学效果，对钢筋混凝土地下粮仓结构在实际储粮工程中的推广应用能起到良好的促进作用。

References)

[1] 徐明,熊宏齐,吴刚,等.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索,2016,35(2):139-142,216.

[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[3] 刘海燕,王振清,陈雁.绿色生态储粮仓型：地下粮仓[J].农业机械,2012(8):114-118.

[4] 李伟,狄育慧.地下粮仓的发展与节能优势[J].粮食科技与经济,2015,40(1):45-47.

[5] 徐明,刘艳,陆金钰,等.土木工程虚拟仿真实验教学资源的建设[J].实验技术与管理,2015,32(12):116-119.

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[7] 郑培.地下矩形筒围仓结构分析[D].郑州:河南工业大学,2009.

[8] 余汉华.半圆筒围成的地下粮仓有限元分析及研究[D].郑州:河南工业大学,2009.

[9] 熊晓莉,金立兵,王振清.钢筋混凝土地下粮仓仓壁土压力取值方法及仓壁结构受力分析[J].应用基础与工程科学学报,2016,24(1):103-114.

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Construction of virtual simulation experimental teaching resources for underground granary structure

Xian Qingjun, Chen Junqi, Cui Weihua, Pang Rui

(School of Civil Engineering and Architecture, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

In the construction of the virtual simulation experimental teaching demonstration center for the civil engineering and architecture in Henan University of Technology, the focus is placed on the construction of the virtual simulation experimental teaching resources for the underground granary structure, which includes the simulation experiment of the underground granary construction process, the numerical simulation experiment on the mechanical performance of the reinforced concrete underground storage structure and the numerical simulation experiment of ecological environment for grain storage in the underground granary. Three virtual simulation experiments are interconnected so as to provide the good materials for the experimental teaching of the underground granary structure, and to lay the foundation for the promotion and application of the underground granary.

underground granary structure; virtual simulation experiment; mechanical behavior; green energy saving

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.032

TU93；TP391.9

A

1002-4956(2017)11-0133-04

2017-04-10

河南省高等学校重点科研项目(16A560018)；河南工业大学高层次人才基金项目(2014BS004)；河南工业大学高等教育研究资助项目(2016GJYJTJ02,2014GJYJ-A20)

咸庆军(1982—)，男，河南周口，博士，国家一级注册结构工程师，主要从事结构工程方面的教学与研究.