变壁厚钢筒仓在太阳辐射下结构热响应研究

2021-01-15杨红霞

延安大学学报（自然科学版） 2020年4期

马越，杨红霞

(延安大学建筑工程学院，陕西延安716000)

空间钢结构是一类对太阳辐射较敏感的结构形式[1]，直接暴露在太阳辐射场下会使其产生较大的温度变形和温度应力，太阳辐射产生的影响在结构设计阶段也逐渐受到关注。筒仓结构作为一种典型的空间薄壳结构，一般建造于较为空旷的港口、工业厂区等城市近郊地区，这使得太阳辐射不会受到其他建筑的遮挡。加之筒仓的薄壁壳体结构外露，而储料位于筒仓内部，所以筒仓结构是一种受太阳辐射影响较大的结构形式。刘红波等[2]研究了钢板筒仓在太阳辐射下阴影区的计算方法，分析了筒仓在加顶盖和不加顶盖工况下太阳辐射产生的最不利非均匀温度场。对设计中考虑太阳辐射提供了建议。马越等[3-5]分析了不同参数对太阳辐射作用下筒仓非均匀温度场的影响。Manbeck等[6]实测了钢筒仓在辐射下的温度场，结果表明太阳辐射在一天内引发的非均匀温度场对结构影响显著。

本文先应用ANSYS APDL语言编制壳体结构在太阳辐射作用下温度场的分析程序，分析太阳辐射作用下筒仓的温度场分布。然后将不同太阳辐射下壳体结构的温度场作为边界条件，建立热-结构耦合数值模型，分析筒仓的应力场。最后通过应力场的分析结果，对钢筒仓仓壁的薄壳结构与顶部桁架连接部位及与混凝土基础连接部位在设计中考虑太阳辐射的影响提出建议。

1 热-结构耦合分析模型

1.1 钢筒仓数值模型

本文以某存储氧化铝粉末的钢筒仓为研究对象。该筒仓高度H=29 m，筒仓的直径D=28 m。筒仓的结构示意如图1所示。筒仓的薄壁壳体结构采用变壁厚的钢板焊接而成，壁厚沿筒仓高度方向的分布如表1所示。筒仓的顶部为大型桁架结构，筒仓上部由于壁厚较薄，设置周向角钢加劲肋和竖向钢板加劲肋。应用ANSYS平台建立有限元数值模型，筒仓的壳体结构采用SHELL181单元，加劲肋采用BEAM188单元；桁架弦杆采用BEAM188单元，腹杆采用LINK8单元。为了简化分析，壳体与混凝土基础连接采用约束壳体下部所有节点的转动和位移自由度。壳体上部与桁架连接处将其与桁架的节点进行耦合。筒仓的储料荷载计算按《钢筒仓技术规范》[7]确定。筒仓的数值模型如图2所示。

表1 筒仓仓壁厚度沿筒仓高度分布表

1.2 太阳辐射模型

本文应用ANSYS APDL语言建立太阳辐射作用下的分析程序，太阳辐射模型采用美国供暖，通风和空气调节工程协会推荐的晴空模型[8](ASHRAE模型)，但其中参数采用我国学者修正后的参数[9]。ASHRAE模型计算入射到结构表面并被吸收的太阳辐射热流密度由公式(1)确定。由于该筒仓实际工程位于兰州市，所以本文所有算例模型的地理参数和气温参数均采用兰州市的数值。

Gt=αs(GD+Gd+GR)

(1)

其中GD为直射太阳辐射强度；Gd为水平面上的散射辐射强度；GR为表面太阳反射辐射强度。

2 辐射作用下钢筒仓温度场分析

对筒仓在空仓工况和满仓工况下进行太阳辐射作用下温度场分析。图3-图6为筒仓壳体温度场的分布图。在夏至日给出了16时的壳体温度云图，此时壳体的温度最高；在冬至日最高温度出现在14时。从壳体的温度云图可以看出，随着壳体壁厚变薄，温度随之增大。所以在太阳辐射下，壳体最高温度出现在筒仓的顶部。壳体顶部周向温度展开图可以看出，在太阳辐射作用下，最大的周向温度差将超过30°C，对壳体结构而言，非均匀的温度分布可能对结构产生更不利的影响。因此在结构设计中，可近似取30°C周向温差计算太阳辐射温度场。

3 钢筒仓应力分析

图7和图8为太阳辐射作用下筒仓壳体的应力分布图。从应力沿高度的分布图可以看出，没有储料荷载作用时，筒仓在辐射作用下仅在筒仓壳体的底部和顶部有温度应力分布，呈显著的圆柱壳边界效应。这是由于温度应力形成的原因，即仓顶桁架和基础约束壳体温度变形所造成的。表2还给出了壳体底部在各种工况下最大应力的比较。在满仓工况下，夏季的竖向应力约为不考虑太阳辐射时的4倍。所以这种因太阳辐射引起的温度应力值得在设计中予以重视。从壳体底部的周向应力分布图即可看出太阳辐射作用造成的温度应力非均匀分布。在冬季周向温度应力会从压应力变化为拉应力；竖向应力和周向应力的变化均超过50 MPa。而对比夏至日和冬至日，可以看出太阳辐射产生的非均匀温度场在冬季比夏季有更显著的影响。