基于ANSYS的钢筋混凝土筒仓动力特性及地震响应分析

王娜丽 叶公伟

(中冶焦耐(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116085)

1 概述

钢筋混凝土筒仓作为贮存散粒材料的大型建构筑物，被广泛的应用在冶金、电力、钢铁、农业等工程领域。圆仓较方仓应用广[1]。圆仓一般分为柱承式和筒承式:柱承式圆仓仓体和筒体刚度相差较大，柱子轴压比较大，支撑结构超静定次数低，变形能力有限，地震破坏多由于下部筒体支撑体系抗震性较弱，发生斜拉破坏或扭转破坏，进而导致筒仓倒塌；筒承式圆仓下部筒体支撑体系刚度较大，筒仓整体抗震性能较好，一般在大容量混凝土圆筒仓应用居多[2,3]。随着建筑抗震设计要求逐渐严格，筒仓的抗震设计也越来越受到重视[4,5]。振型分解反应谱法因其计算简便、概念明确得到广泛应用；同时采用时程分析方法进行补充计算对于完善筒仓结构设计方法，提高其抗震设计的安全性和可靠性，确保抗震设防质量也是非常有必要的[3]。

本文以某筒承式钢筋混凝土单体圆筒仓为例，采用ANSYS有限元软件建立该筒仓的有限元模型，假定刚性地基：1)对筒仓在空仓、半仓、满仓三种仓储状态进行模态分析，总结不同仓储状态对结构振型及自振频率的影响规律；2)在模态分析的基础上，对筒仓进行了地震加速度时程分析，提取筒仓位移及应力情况进行研究。

2 计算模型

2.1 工程概况

该钢筋混凝土圆筒仓为储煤仓，贮量为8 000 t，总高度43 m，半径10.5 m，仓壁厚0.38 m，仓下筒体支撑体系高度9.6 m，筒壁、壁柱共同受力，筒体外壁厚0.38 m，内壁厚0.3 m，漏斗壁厚0.3 m，内壁柱截面为0.8 m×1.2 m。筒仓混凝土强度等级为C30，主筋HRB400，抗震设防烈度7度(0.15g)，设计地震分组为第二组。钢筋混凝土视为均质线弹性，材料参数为：密度2 500 kg/m3，弹性模量30 000 MPa，泊松比0.2。地基采用刚性地基。加速度时程分析的计算荷载包括自重及地震荷载。地震激励采用抗震设防烈度7度(0.15g)时多遇地震的加速度峰值0.55 m/s2，考虑双向地震，基于某一实际强震记录，X方向和Y方向的地震波见图1。

2.2 ANSYS模型

基于有限元分析软件ANSYS，该煤仓的仓壁、筒壁、楼板等板类部分采用Shell181模拟，混凝土柱、梁采用Beam188模拟。地震作用下贮料对整个筒仓结构的贡献主要体现在质量上，其刚度可以忽略不计，因此本文贮料采用附加质量单元Mass21模拟来参与地震反应，根据《钢筋混凝土筒仓设计标准》[6]规定，取贮料仓储质量的80%参与地震时程分析。ANSYS计算有限元模型如图2所示。

3 计算分析

3.1 模态分析

本文提取了筒仓空仓、半仓、满仓三种仓储状况下的代表振型，结果显示：空仓状态下，结构的第1振型和第2振型分别为X向平动和Y向平动，第3阶～第7阶振型以仓壁振动为主，第8阶振型为顶板竖向振动，第10阶振型为筒仓整体扭转；半仓状态下，结构的第1振型和第2振型为X向平动和Y向平动，第3阶～第10阶振型以仓壁振动为主，第11阶振型为筒仓整体扭转，第13阶振型为顶板竖向振动；满仓状态下，结构的第1振型和第2振型仍为X向平动和Y向平动，第3阶～第8阶振型以仓壁振动为主，第9阶振型为筒仓整体扭转，第10阶～第19阶振型为仓壁振动，第20阶振型为顶板竖向振动。通过上述振型对比可见，仓储多少的不同直接影响筒仓振型，尤其是仓壁的振动。随着仓储量增大，仓壁振动呈现高阶状态；除了X向平动和Y向平动，仓壁振动的振型居多，顶板竖向振动及筒仓整体扭转的振型向后推迟。

另外，筒仓空仓、半仓、满仓三种仓储状况下的前10阶振型频率如表1所示。从表1可见，仓储量越大，筒仓的自振频率越小，相应的自振周期越长，说明地震惯性越大。

表1 三种仓储状态下筒仓自振频率(前10阶振型)

3.2 加速度时程分析

本文对空仓、半仓、满仓三种状态时的筒仓进行了加速度时程分析，提取了三种仓储状况下的位移、应力。

位移结果显示：空仓状态下仓顶随地震激励响应明显，仓顶节点X方向最大位移为1.95 mm，层间位移角约为1/22 051，Y方向最大位移为1.27 mm，层间位移角约为1/33 858；半仓状态下由于仓内储料影响，仓体惯性增大，仓顶节点随地震激励响应减弱，仓顶节点X方向最大位移为3.26 mm，层间位移角约1/13 190，Y方向最大位移为1.26 mm，层间位移角约1/34 128；满仓状态下仓内储料达到最大值，仓体惯性更大，仓顶节点随地震激励响应延缓更多，仓顶节点X方向最大位移为4.14 mm，层间位移角约1/10 386，Y方向最大位移为2.61 mm，层间位移角约为1/16 475。结合《建筑抗震设计规范》[7]抗震墙结构弹性层间位移角限值为1/1 000，三种仓储状态下的地震位移均满足规范要求。由此可见，该筒仓刚度均较大，具备足够的抗侧移能力，抗震性能良好。同时，通过对比可见，仓储量多少对筒仓的地震响应有直接影响，在对筒仓进行地震加速度时程分析时需要根据实际情况确定计算工况。

三种仓储状态下筒仓不同标高处节点位移形成该筒仓X方向和Y方向的整体变形图，分别如图3，图4所示。从图3，图4可见，筒仓整体变形均匀，位移基本呈线性增长，说明该筒仓整体刚度较均匀，抗侧变形能力良好。

另外，空仓状态下，单元第一主应力最大值出现在筒壁根部(与基础接触处)，第一主应力最大值699.3 kPa(

4 结语

本文基于ANSYS有限元分析软件对某钢筋混凝土单仓进行模态分析和加速度时程分析，结论如下：1)仓储量多少直接影响筒仓的自振振型及频率，应根据实际情况对筒仓进行模态分析和包络设计；2)仓储量多少影响筒仓惯性，和筒仓的地震响应有直接关系，采用加速度时程分析作为补充计算方法时必须根据实际情况选择合适的仓储工况参与计算；3)加速度时程分析可作为筒仓抗震设计的补充计算方法，选取满足建筑抗震规范要求的多条地震激励进行时程分析，取其结果的包络值和振型分解反应谱法计算值的较大者作为计算结果进行地震分析。