超大直径低壁浅仓圆环壳结构模型及其应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本文提出的超大直径低壁浅仓圆环壳结构无 矩理论模型!其理论依据是圆柱壳无矩理论$ 即 圆柱壳体的薄膜理论% !该模型无须桩基!仓壁上 下边无须加强环梁和基础环梁$ 也可按构造要求 设置% !该 圆 环 壳 结 构 直 接 位 于 一 光 滑 的 圆 形 环 带状高强度钢筋混凝土地基表面上$ 图 $%!壳壁 底边相对于圆环带地基表面沿径向可滑动$ 遭遇 地震时具有隔震器效应" 实际存在一定的水平摩 擦力!其大小取决于壳体底面和圆环带地基表面 之间的摩擦系数,例如!可在上部壳体施工前先在 预先打磨做光的圆环形地基表面上涂刷脱模剂或 润滑剂并 覆 盖 分 隔 膜 片 等 措 施 来 减 小 摩 擦 力 % ! 壳体内主要处于无矩内力或薄膜内力状态$ 即按 ) 规范* 所述对于圆形筒仓或浅圆仓!在远离固定 端或约束区的仓壁内力!可按无矩理论计算% !极 大程度地降低了上述其他模型结构和) 规范* 所 述的温度应力和边缘效应!并可将结构受到的地 震作用降至最小!能极大程度地节省材料(降低造 价和缩短施工工期"
"1&$ #"1$& #%
$$%
式中#G为仓体高度"
&% 仓壁厚度设计
仓壁厚度按抗裂计算确定!设仓底壁厚 9n
+结构分析+
+"!+
结构工程师第 !" 卷第 # 期(
内力!稻谷对囤壁的法向压力远小于由此引起的 囤壁内环向拉力%!无任何纵向弯矩$ 该粮囤的构 成方式也无法承受任何弯矩% 和边缘效应" 囤底 部沿地面可滑动不受约束!如有地震引起地面运 动!则只是地面相对粮囤作水平运动而粮囤底边 因可滑动而不易损坏"
图 $(基于圆环壳无矩理论的超大直径低壁浅仓 R328$()3/7J.54K 71 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4 H3*E =4=J+.14*E47+N
((图 ! 所示为农村大量使用的粮囤!由一定宽 度的带状编织物向上围绕成图示圆柱形围囤!其 下端直接位于地表面上" 稻谷等装载后粮囤壁内 仅承受环向拉力$ 这也是型它具有容 量大结构简单等优点因此在现代物流粮食煤 炭水泥等行业中有着广泛的应用 以往设计的 超大直径钢筋混凝土低壁浅仓结构主要有两种形 式即分缝式带扶壁柱的挡土墙和无缝无扶壁柱 圆形挡土墙& 数 &% 年来我国水泥生产企业建 造了大量的带扶壁柱的这种仓体如图 & 所示为 大量正在服役的内径 '% =壁高 &$ =U&! =的 基于直线式挡土墙理论的煤炭铁矿石等贮料筒 仓 该仓上壁厚 "%% ==下壁厚 ##% ==仓壁外 沿环向等间距分布 Q% 根变截面扶壁柱 上下端
. Al功l能R!i而g前ht者s使R用e的se材r料ve(施d.工工期和建造费用等
均远低于后者!因此本文提出的结构模型具有重 要的理论意义和广泛的工程应用价值"
@>理论计算与数值分析
本节将对本文提出的圆环壳结构无矩理论模 型筒仓在满仓堆载工况下进行无矩内力计算与设 计!并利用有限元 [c[iZ) 软件在偏载情况下进 行局部弯曲内力校核" 该圆环壳贮料浅仓仓壁为 钢筋混凝土结构!筒仓内径为 '% =!仓壁高 &! =! 混凝土强度等级为 B"%!弹性模量 <n!% ]S.!混 凝土密度 *n$ #%% Y2\=! !泊松比 +n%($!仓壁配 筋选用 @Tc"%% 级 钢 筋" 贮 料 容 重 (n&(% ^ &%" 9\=! !贮料堆载内摩擦角 ,n!'h!贮料压力荷 载采用折算库伦公式 EE nB(F确定!B为主动土压 力系数$ 内摩擦角 ,n!'h时 Bn%8$!'% !(为贮料 容重!F为贮料锥体重心到计算截面高度" 在进 行筒仓设计时仅考虑仓体自重及贮料压力荷载对 结构的作用" @A?>圆环壳筒仓无矩理论计算与设计
收稿日期 $%&' <%$ <$; ( 联系作者 唐寿高男教授博导工学博士研究方向为结构工程与岩土工程分析的计算机方法 0=.3/*.1252>*712G384K,8-1
)*+,-*,+./0123144+567/8!"!978#
+"$+
)*+,-*,+./[1./N535(
. Al筒l仓R在ig贮h料ts水平Re压s力e和rv温e度d.作用下的仓壁内力及
底部约束的边缘效应进行了分析!并与有限元计 算结果进行了对比"
关于现有圆形筒仓的边缘效应!现行的) 钢 筋混凝土筒仓设计规范* $ ]c#%%;;0$%%!% $ 以 下简称)规范*% &;' 中规定. 对于圆形筒仓或浅圆 仓!在远离固定端或约束区的仓壁内力!可按无矩 理论$薄膜理论% 计算!但是在仓顶与仓壁(仓壁 与仓底以及仓壁与基础等整体连接部位!尚应计 算其对仓壁约束的边缘效应"/ 另外!关于筒仓仓 壁的温度作用!) 规范* 第 "8&8& 条规定. 直径 $& U!% =的筒仓可按其最大环拉力的 Qg计算!直 径大于 !% =的筒仓可按 'g计算"/
((现有的无缝无扶壁柱圆形料仓!这种结构形 式充分利用仓壁内环向钢筋承担堆料压力(温度 应力等荷载!其受力要优于前者!且施工简单(外 观简洁(材料利用率高!缺点是温度应力对仓壁造 成较 大 影 响! 实 际 配 筋 量 较 大! 经 济 效 果 不 显著&&' "
近年来!上述超大直径浅仓力学分析与内力 计算已有不少报道" 笔者曾对特大型超低壁浅仓 提出按圆柱壳弯曲理论的底部可滑动的力学模 型&$' !并曾应用于安徽铜陵海螺水泥有限公司直 径 '% =(高 &! =的筒仓设计与建造!该结构现已 安全服役十余年!效果良好" 薛二伟&!' 采用三维 有限单元分析了仓壁厚度对大直径环筒式浅圆贮 煤筒仓受力性能的影响,汪碧飞等&"' 在含肋柱( 环梁(承台等在内的筒仓上部结构与地基基础的 相互作用的前提下!分析了季节温升与温降和堆 煤引起的筒仓内外壁温差(煤压等主要荷载对筒 仓结构的影响等,a31 X.12等&#' 基于任意拉格朗 日L欧拉公式用有限元分析了装卸料时仓壁压力 问题" 张振宇等&Q' 采用圆柱壳弯曲理论!分别对
:":""'03)48+004&)',&')+L*1+03"1!&$:GG0%,3&%*"$&* 48300*74%0* 7%&8J3)2+6%3M+&+)
O[9])E7,2.7 (X[9]a312.1
)-E77/7I[4+75F.-40123144+312.1K [FF/34K W4-E.13-5O712G3Z13M4+53*N )E.12E.3$%%%P$ BE31.
31*4+1./=7=41*8D*5*4=F4+.*,+45*+4554K244II4-*.1K 4.+*E?,.Y4.-*371 -7,/K J4+4K,-4K *7.=313=,=8 B./-,/.*371 .1K .1./N5355E7H*E.**E4F+7F754K =7K4/7I*E4.11,/.+5E4//5*+,-*,+4-.1 2+4.*/N5.M45*+,-*,+./ =.*4+3./55E7+*41 -715*+,-*371 *3=4.1K +4K,-4-75*7I*E4F+7G4-*58D*35.1 7F*3=./5-E4=4.1K *E4/.*45* K4M4/7F=41*7I*E45*,KN7I*E45*+,-*,+47I/.+24K3.=4*4+5E.//7H53/78 <+57*)1$(/.+24K3.=4*4+5E.//7H53/7 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4 171L=7=41**E47+N 5*+,-*,+./7F*3=3b.*371
有关大直径低壁浅仓的内力及温度应力分析 等还有许多报道!另外关于仓壁内散料压力荷载 分布形式实验研究和计算分析等也文献众多均不 一一列举" 总之!尚未见对上述超大直径低壁浅 仓提出其他不同的结构模型"
?>超大直径低壁浅仓的圆环壳结构模型
关于图 & 所示目前国内水泥生产企业曾大量 建成并正在服役的超大直径带扶壁柱与桩基的钢 筋混凝土低壁浅仓!经计算分析表明!该仓体由于
图 !(农村篾席编织物围绕成的粮囤 R328!(T,+./J.=J77=.*H7M41 I.J+3-.+7,1K 2+.31 5*7-Y
((本文圆环壳结构形式和支撑方式是受图 ! 所 示粮囤类型受力性质的启发而提出!图 $ 所示的 建立在无矩理论基础上的圆环壳在使用功能上完 全等同于图 & 所示按挡土墙理论计算设计的结构
第 !" 卷第 # 期 $%&' 年 &% 月
结(构(工(程(师 )*+,-*,+./0123144+5
67/8!" 978# :-*8$%&'
超大直径低壁浅仓圆环壳结构模型及其应用
唐寿高( 王应安
同济大学航空航天与力学学院应用力学研究所上海 $%%%P$
摘(要(提出一种超大直径低壁浅仓圆环壳体结构无矩理论模型该壳体底部径向可滑动壳体内力基 本呈无矩内力状态其温度应力边缘效应和地震作用可降为最低 计算与分析表明提出的圆环壳体 结构无矩理论模型相对于挡土墙模型可极大幅度地节省材料缩短施工工期及降低工程造价是超大直 径低壁浅仓结构形式研究的优化方案和最新进展 关键词(超大直径低壁浅仓 圆环形壳体 无矩理论模型 结构优化
:;$&)3,&(D1 *E35F.F4+.1 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4=4=J+.14=7K4/I7+5E.//7H53/75H3*E /.+24K3.=4*4+35
. AlFl+454R1i*4gKh8OtEs4JR7e**7s=er7Iv*eE4d5.E4//355/3K.J/431 *E4+.K3./K3+4-*371.1K *E45E4//35J.53-.//N31 *E45*.*47I17
截面分别为6^D n#%% ==^P%% ==和 #%% ==^ & #%% == 每根扶壁柱底部设有桩基 钻孔灌注 桩直径 Q%% ==长不少于 &$ = 仓壁顶部设有环 梁 截面 & %%% ==^P%% == 底部设有基础梁 截面& $%% ==^& '%% ==
图 &(带扶壁柱与桩基的基于直线式挡土墙理论的筒仓 R328&()3/7J.54K 71 *E4*E47+N7I/314.++4*.31312 H.//H3*E F3//.+.1K F3/4
底部固定!其季节性温度变化引起的扶壁柱竖向 弯矩达到 ;8%P$ ^&%" $ Y9+ =% \=!剪应力达到 &8;"P ^&%; S.!而仅考虑仓内散料满仓堆载工况 下其竖向弯矩为 !8'! ^&%" $ Y9+=% \=!剪应力 仅 $8%;! ^&%Q S.!由此可见温度变化引起的荷载 效应已远超散料满仓时的影响" 另外!地震作用 引起的水平剪力对该结构也有不可忽视的影响" 由于基于挡土墙计算理论!认为贮料会在仓底部 产生很大的弯矩和水平剪力!从而导致了变截面 扶壁柱和桩基础以及大截面基础环梁的设置!造 成了巨大的人力(物力和财力上的消耗"
环向拉力 "1$ !然后代入第二式对 "1&$ 积分$ 积分 常数由边界条件确定!下同% !求出平错力 "1&$ !再 将 "1&$ 代入第一式!对 "1& 积分!求出纵向拉压力 "1& " 对上式求解!并将各边界条件代入求解后得 到各内力表达式#
"1& #*!9$ ">G%
"1$ #%($!'($ G>"% C
圆柱 壳 的 无 矩 理 论 平 衡 微 分 方 程 形 式 如下&'' #
5"1& 5"
.5"1&$ 5-
.?&
#%
5"1$ 5-
.5"1$& 5"
.?$ #%!"1$
#C?!
$&%
式中#?& !?$ !?! 为柱壳所受荷载分别在纵向(环向 及法向的分量!本文壳体 ?& n<*!9!?$ n%!?! n %($!'($&! <"% ! 9为仓壁厚度, "1& ! "1$ 及 "1&$ n "1$& 分 别 为 纵 向 拉 压 力( 环 向 拉 压 力 及 平 错 力" 在进行计算时!可先由上述平衡方程第三式求出
"1&$ #"1$& #%
$$%
式中#G为仓体高度"
&% 仓壁厚度设计
仓壁厚度按抗裂计算确定!设仓底壁厚 9n
+结构分析+
+"!+
结构工程师第 !" 卷第 # 期(
内力!稻谷对囤壁的法向压力远小于由此引起的 囤壁内环向拉力%!无任何纵向弯矩$ 该粮囤的构 成方式也无法承受任何弯矩% 和边缘效应" 囤底 部沿地面可滑动不受约束!如有地震引起地面运 动!则只是地面相对粮囤作水平运动而粮囤底边 因可滑动而不易损坏"
图 $(基于圆环壳无矩理论的超大直径低壁浅仓 R328$()3/7J.54K 71 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4 H3*E =4=J+.14*E47+N
((图 ! 所示为农村大量使用的粮囤!由一定宽 度的带状编织物向上围绕成图示圆柱形围囤!其 下端直接位于地表面上" 稻谷等装载后粮囤壁内 仅承受环向拉力$ 这也是型它具有容 量大结构简单等优点因此在现代物流粮食煤 炭水泥等行业中有着广泛的应用 以往设计的 超大直径钢筋混凝土低壁浅仓结构主要有两种形 式即分缝式带扶壁柱的挡土墙和无缝无扶壁柱 圆形挡土墙& 数 &% 年来我国水泥生产企业建 造了大量的带扶壁柱的这种仓体如图 & 所示为 大量正在服役的内径 '% =壁高 &$ =U&! =的 基于直线式挡土墙理论的煤炭铁矿石等贮料筒 仓 该仓上壁厚 "%% ==下壁厚 ##% ==仓壁外 沿环向等间距分布 Q% 根变截面扶壁柱 上下端
. Al功l能R!i而g前ht者s使R用e的se材r料ve(施d.工工期和建造费用等
均远低于后者!因此本文提出的结构模型具有重 要的理论意义和广泛的工程应用价值"
@>理论计算与数值分析
本节将对本文提出的圆环壳结构无矩理论模 型筒仓在满仓堆载工况下进行无矩内力计算与设 计!并利用有限元 [c[iZ) 软件在偏载情况下进 行局部弯曲内力校核" 该圆环壳贮料浅仓仓壁为 钢筋混凝土结构!筒仓内径为 '% =!仓壁高 &! =! 混凝土强度等级为 B"%!弹性模量 <n!% ]S.!混 凝土密度 *n$ #%% Y2\=! !泊松比 +n%($!仓壁配 筋选用 @Tc"%% 级 钢 筋" 贮 料 容 重 (n&(% ^ &%" 9\=! !贮料堆载内摩擦角 ,n!'h!贮料压力荷 载采用折算库伦公式 EE nB(F确定!B为主动土压 力系数$ 内摩擦角 ,n!'h时 Bn%8$!'% !(为贮料 容重!F为贮料锥体重心到计算截面高度" 在进 行筒仓设计时仅考虑仓体自重及贮料压力荷载对 结构的作用" @A?>圆环壳筒仓无矩理论计算与设计
收稿日期 $%&' <%$ <$; ( 联系作者 唐寿高男教授博导工学博士研究方向为结构工程与岩土工程分析的计算机方法 0=.3/*.1252>*712G384K,8-1
)*+,-*,+./0123144+567/8!"!978#
+"$+
)*+,-*,+./[1./N535(
. Al筒l仓R在ig贮h料ts水平Re压s力e和rv温e度d.作用下的仓壁内力及
底部约束的边缘效应进行了分析!并与有限元计 算结果进行了对比"
关于现有圆形筒仓的边缘效应!现行的) 钢 筋混凝土筒仓设计规范* $ ]c#%%;;0$%%!% $ 以 下简称)规范*% &;' 中规定. 对于圆形筒仓或浅圆 仓!在远离固定端或约束区的仓壁内力!可按无矩 理论$薄膜理论% 计算!但是在仓顶与仓壁(仓壁 与仓底以及仓壁与基础等整体连接部位!尚应计 算其对仓壁约束的边缘效应"/ 另外!关于筒仓仓 壁的温度作用!) 规范* 第 "8&8& 条规定. 直径 $& U!% =的筒仓可按其最大环拉力的 Qg计算!直 径大于 !% =的筒仓可按 'g计算"/
((现有的无缝无扶壁柱圆形料仓!这种结构形 式充分利用仓壁内环向钢筋承担堆料压力(温度 应力等荷载!其受力要优于前者!且施工简单(外 观简洁(材料利用率高!缺点是温度应力对仓壁造 成较 大 影 响! 实 际 配 筋 量 较 大! 经 济 效 果 不 显著&&' "
近年来!上述超大直径浅仓力学分析与内力 计算已有不少报道" 笔者曾对特大型超低壁浅仓 提出按圆柱壳弯曲理论的底部可滑动的力学模 型&$' !并曾应用于安徽铜陵海螺水泥有限公司直 径 '% =(高 &! =的筒仓设计与建造!该结构现已 安全服役十余年!效果良好" 薛二伟&!' 采用三维 有限单元分析了仓壁厚度对大直径环筒式浅圆贮 煤筒仓受力性能的影响,汪碧飞等&"' 在含肋柱( 环梁(承台等在内的筒仓上部结构与地基基础的 相互作用的前提下!分析了季节温升与温降和堆 煤引起的筒仓内外壁温差(煤压等主要荷载对筒 仓结构的影响等,a31 X.12等&#' 基于任意拉格朗 日L欧拉公式用有限元分析了装卸料时仓壁压力 问题" 张振宇等&Q' 采用圆柱壳弯曲理论!分别对
:":""'03)48+004&)',&')+L*1+03"1!&$:GG0%,3&%*"$&* 48300*74%0* 7%&8J3)2+6%3M+&+)
O[9])E7,2.7 (X[9]a312.1
)-E77/7I[4+75F.-40123144+312.1K [FF/34K W4-E.13-5O712G3Z13M4+53*N )E.12E.3$%%%P$ BE31.
31*4+1./=7=41*8D*5*4=F4+.*,+45*+4554K244II4-*.1K 4.+*E?,.Y4.-*371 -7,/K J4+4K,-4K *7.=313=,=8 B./-,/.*371 .1K .1./N5355E7H*E.**E4F+7F754K =7K4/7I*E4.11,/.+5E4//5*+,-*,+4-.1 2+4.*/N5.M45*+,-*,+./ =.*4+3./55E7+*41 -715*+,-*371 *3=4.1K +4K,-4-75*7I*E4F+7G4-*58D*35.1 7F*3=./5-E4=4.1K *E4/.*45* K4M4/7F=41*7I*E45*,KN7I*E45*+,-*,+47I/.+24K3.=4*4+5E.//7H53/78 <+57*)1$(/.+24K3.=4*4+5E.//7H53/7 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4 171L=7=41**E47+N 5*+,-*,+./7F*3=3b.*371
有关大直径低壁浅仓的内力及温度应力分析 等还有许多报道!另外关于仓壁内散料压力荷载 分布形式实验研究和计算分析等也文献众多均不 一一列举" 总之!尚未见对上述超大直径低壁浅 仓提出其他不同的结构模型"
?>超大直径低壁浅仓的圆环壳结构模型
关于图 & 所示目前国内水泥生产企业曾大量 建成并正在服役的超大直径带扶壁柱与桩基的钢 筋混凝土低壁浅仓!经计算分析表明!该仓体由于
图 !(农村篾席编织物围绕成的粮囤 R328!(T,+./J.=J77=.*H7M41 I.J+3-.+7,1K 2+.31 5*7-Y
((本文圆环壳结构形式和支撑方式是受图 ! 所 示粮囤类型受力性质的启发而提出!图 $ 所示的 建立在无矩理论基础上的圆环壳在使用功能上完 全等同于图 & 所示按挡土墙理论计算设计的结构
第 !" 卷第 # 期 $%&' 年 &% 月
结(构(工(程(师 )*+,-*,+./0123144+5
67/8!" 978# :-*8$%&'
超大直径低壁浅仓圆环壳结构模型及其应用
唐寿高( 王应安
同济大学航空航天与力学学院应用力学研究所上海 $%%%P$
摘(要(提出一种超大直径低壁浅仓圆环壳体结构无矩理论模型该壳体底部径向可滑动壳体内力基 本呈无矩内力状态其温度应力边缘效应和地震作用可降为最低 计算与分析表明提出的圆环壳体 结构无矩理论模型相对于挡土墙模型可极大幅度地节省材料缩短施工工期及降低工程造价是超大直 径低壁浅仓结构形式研究的优化方案和最新进展 关键词(超大直径低壁浅仓 圆环形壳体 无矩理论模型 结构优化
:;$&)3,&(D1 *E35F.F4+.1 .11,/.+5E4//5*+,-*,+4=4=J+.14=7K4/I7+5E.//7H53/75H3*E /.+24K3.=4*4+35
. AlFl+454R1i*4gKh8OtEs4JR7e**7s=er7Iv*eE4d5.E4//355/3K.J/431 *E4+.K3./K3+4-*371.1K *E45E4//35J.53-.//N31 *E45*.*47I17
截面分别为6^D n#%% ==^P%% ==和 #%% ==^ & #%% == 每根扶壁柱底部设有桩基 钻孔灌注 桩直径 Q%% ==长不少于 &$ = 仓壁顶部设有环 梁 截面 & %%% ==^P%% == 底部设有基础梁 截面& $%% ==^& '%% ==
图 &(带扶壁柱与桩基的基于直线式挡土墙理论的筒仓 R328&()3/7J.54K 71 *E4*E47+N7I/314.++4*.31312 H.//H3*E F3//.+.1K F3/4
底部固定!其季节性温度变化引起的扶壁柱竖向 弯矩达到 ;8%P$ ^&%" $ Y9+ =% \=!剪应力达到 &8;"P ^&%; S.!而仅考虑仓内散料满仓堆载工况 下其竖向弯矩为 !8'! ^&%" $ Y9+=% \=!剪应力 仅 $8%;! ^&%Q S.!由此可见温度变化引起的荷载 效应已远超散料满仓时的影响" 另外!地震作用 引起的水平剪力对该结构也有不可忽视的影响" 由于基于挡土墙计算理论!认为贮料会在仓底部 产生很大的弯矩和水平剪力!从而导致了变截面 扶壁柱和桩基础以及大截面基础环梁的设置!造 成了巨大的人力(物力和财力上的消耗"
环向拉力 "1$ !然后代入第二式对 "1&$ 积分$ 积分 常数由边界条件确定!下同% !求出平错力 "1&$ !再 将 "1&$ 代入第一式!对 "1& 积分!求出纵向拉压力 "1& " 对上式求解!并将各边界条件代入求解后得 到各内力表达式#
"1& #*!9$ ">G%
"1$ #%($!'($ G>"% C
圆柱 壳 的 无 矩 理 论 平 衡 微 分 方 程 形 式 如下&'' #
5"1& 5"
.5"1&$ 5-
.?&
#%
5"1$ 5-
.5"1$& 5"
.?$ #%!"1$
#C?!
$&%
式中#?& !?$ !?! 为柱壳所受荷载分别在纵向(环向 及法向的分量!本文壳体 ?& n<*!9!?$ n%!?! n %($!'($&! <"% ! 9为仓壁厚度, "1& ! "1$ 及 "1&$ n "1$& 分 别 为 纵 向 拉 压 力( 环 向 拉 压 力 及 平 错 力" 在进行计算时!可先由上述平衡方程第三式求出