日照作用對大直徑落地式鋼筒倉結構性能影響分析.pdf

西安建筑科技大學碩士學位論文 Solar radiation effects on the structural behavior of large flat-bottom squat steel silos Specialty：Structural Engineering Name： Ma Yue Instructor： Prof. Yang Yinghua Abstract The steel silos are always located outdoor, thus the solar radiation has some effect on the structure. There is few study focus on this topic. The paper aims at revealing the solar radiation effects on the structural behavior of the steel silos. The silo to be analyzed is a cylindrical shell structure used for storing alumina. To analyse the strength and stability of the silo, the non-uniform temperatures caused by solar radiation were introduced to the silo walls by FEM program. The hoop、axial 、von Mises stress and the axial 、radial displacement of the wall caused by non-uniform temperature are compared with uniform temperature and normal temperature. Then the thickness of the wall and the diameter of the silo will vary to reveal the change law of the stress caused by the thickness and diameter. It is necessary to explore the buckling behavior and load carrying capacity at buckling of such silos under non-uniform temperatures caused by solar radiation and with different analysis methods as recommended in the Eurocode 3(EN 1993-1-6：2004) . Four analysis types i.e. GNA, GMNA, GNIA and GMNIA are used for the determination of load carrying capacities. The way for failing the silo by buckling is increasing the bulk material loads. Keywords: Steel silo; FEM; solar radiation; wall stress; buckling analysis The research is financially supported by the Shaanxi Provincial Department of Education via Special Research Project 11JK0945. 西安建筑科技大學碩士學位論文 I 目 錄 1.緒 論 ............................................................ 1 1.1 筒倉結構的發展與分類 .......................................... 1 1.2 筒倉結構研究現狀概述 .......................................... 3 1.2.1 薄殼穩定理論的發展 ............................................................................... 3 1.2.2 殼體分析的無矩理論與有矩理論 ........................................................... 4 1.2.3 鋼板筒倉研究現狀 ................................................................................... 6 1.3 選題背景及意義 ................................................ 7 1.4 本文主要研究內容 .............................................. 8 2.鋼筒倉所受荷載及有限元模型建立 .................................... 9 2.1 溫度作用的類型 ................................................ 9 2.1.1 季節溫差 ................................................................................................... 9 2.1.2 內外溫差 ................................................................................................. 10 2.1.3 日照溫差 ................................................................................................. 10 2.2 溫度作用的取值 ............................................... 11 2.3 儲料荷載 ..................................................... 12 2.4 筒倉參數 ..................................................... 13 2.5 有限元模型的建立及驗證 ....................................... 14 2.5.1 單元選擇及材料參數 ............................................................................. 14 2.5.2 邊界條件 ................................................................................................. 15 2.5.3 施加荷載 ................................................................................................. 15 2.5.4 有限元模型驗證 ..................................................................................... 16 3.溫度作用和儲料荷載對倉壁應力的影響與分析 ......................... 18 3.1 季節溫差對倉壁應力的影響 ..................................... 18 3.1.1 倉壁周向應力 ......................................................................................... 18 3.1.2 倉壁軸向應力 ......................................................................................... 23 3.1.3 倉壁 Mises 應力 ..................................................................................... 27 3.2 日照溫差對倉壁應力的影響 ..................................... 29 3.2.1 倉壁周向應力 ......................................................................................... 29 3.2.2 倉壁軸向應力 ......................................................................................... 32 西安建筑科技大學碩士學位論文 II 3.2.3 倉壁 Mises 應力 ...................................................................................... 35 3.2.4 小結 .......................................................................................................... 37 3.3 各種溫度作用下倉壁應力對比與分析 ............................. 38 3.3.1 空倉 .......................................................................................................... 38 3.3.2 滿倉 .......................................................................................................... 41 3.4 倉壁的徑向位移 ............................................... 44 3.4.1 空倉 .......................................................................................................... 44 3.4.2 滿倉 .......................................................................................................... 45 3.5 倉壁軸向位移 ................................................. 46 3.5.1 空倉 .......................................................................................................... 46 3.5.2 滿倉 .......................................................................................................... 47 4.筒倉直徑、倉壁厚度對倉壁應力影響分析 ............................. 48 4.1 筒倉直徑對倉壁應力的影響分析 ................................. 48 4.1.1 常溫時筒倉直徑對倉壁應力的影響 ...................................................... 48 4.1.2 日照溫度作用下筒倉直徑對倉壁周向應力的影響 .............................. 50 4.1.3 日照溫度作用下筒倉直徑對倉壁軸向應力的影響 .............................. 53 4.1.4 日照溫度作用下筒倉直徑對倉壁 Mises 應力的影響 .......................... 56 4.1.5 小結 .......................................................................................................... 59 4.2 倉壁厚度對倉壁應力的影響分析 ................................. 61 4.2.1 常溫時倉壁厚度對倉壁應力的影響 ...................................................... 61 4.2.2 日照溫度作用下倉壁厚度對倉壁周向應力的影響 .............................. 61 4.2.3 日照溫度作用下倉壁厚度對倉壁軸向應力的影響 .............................. 64 4.2.4 日照溫度作用下倉壁厚度對倉壁 Mises 應力的影響 .......................... 66 4.2.5 小結 .......................................................................................................... 68 5.日照溫度和儲料作用下鋼筒倉的屈曲分析 ............................. 71 5.1 LBA 屈曲分析 ................................................. 71 5.2 GNA 屈曲分析 ................................................ 72 5.2.1 無溫度作用時（20℃）GNA 屈曲分析 ................................................ 72 5.2.2 溫度作用時 GNA 屈曲分析 ................................................................... 73 5.3 GMNA 屈曲分析 ............................................... 76 5.3.1 無溫度作用時（20℃）GMNA 屈曲分析 ............................................. 77 西安建筑科技大學碩士學位論文 III 5.3.2 溫度作用時 GMNA 屈曲分析 ............................................................... 77 5.4 GNIA 屈曲分析 ................................................ 81 5.4.1 無溫度作用時（20℃）GNIA 屈曲分析 .............................................. 82 5.4.2 溫度作用時 GNIA 屈曲分析 ................................................................. 83 5.5 GMNIA 屈曲分析 .............................................. 87 5.5.1 無溫度作用時（20℃）GMNIA 屈曲分析 ........................................... 87 5.5.2 溫度作用時 GMNIA 屈曲分析 .............................................................. 88 5.6 溫度作用時各種屈曲分析方法的對比 ............................. 92 5.6.1 溫度作用對屈曲承載力的影響 ............................................................. 92 5.6.2 各種屈曲分析平衡路徑的對比 ............................................................. 93 6.結論與展望 ...................................................... 95 6.1 結論 ......................................................... 95 6.2 展望 ......................................................... 97 致 謝 ............................................................. 98 參考文獻 .......................................................... 99 作者在讀期間的研究成果 ............................................ 102 西安建筑科技大學碩士學位論文 1 1.緒 論 1.1筒倉結構的發展與分類 筒倉是用來貯藏散粒物料的直立筒狀構筑物。 人類使用筒倉這種結構形式已經有數百年的歷史[1]。隨著工農業等領域對儲存貯藏的需求，筒倉結構作為一種有著占地面積少、容量大、使用方便等優勢的結構形式 得到廣泛的運用。 筒倉貯藏的散料如谷物、煤、水泥、精礦粉等是農業、電力、礦業、冶金等諸多領域重要的原材料，行業發展必然要求對原材料的貯藏能力予以提高[2]。各行業的蓬勃發展帶動了筒倉這種儲存結構的發展。早期的筒倉多為鋼筋混凝土筒倉，其有著堅固耐用，容量大等一系 列 優點 ，鋼筋混凝土筒倉 在上個世紀得到廣泛的發展。目前筒倉結構的發展正朝著大容量的方向進行，筒倉的直徑和高度不斷的增大。容量超過 10 萬噸、直徑大于 120m 的筒倉也運用于實際工程[3-4]。從單體工程發展來講，筒倉逐漸從小直徑群倉發展為大直徑組合群倉[5]。 圖 1.1 實際工程中的 筒倉 上世紀二十年代起，我國一些工業場區開始建造筒倉，但是由于技術、經濟等條件的限制，筒倉的容量受到很大程度的制約。隨著國民經濟的發展和技術水平的提高，大容量筒倉廣泛的應用于我國國民經濟生產中。 1985、 2003 年頒布的 《鋼筋混凝土筒倉設計規范》 （ GBJ77-85）[6]和《鋼筋混凝土筒倉設計規范》（ GB50077-2003）[7]極大程度推進了鋼筋混凝土筒倉在我國的應 用 。 2001、 2011年頒布的 《糧食鋼板筒倉設計規范》 （GB50322- 2001）[8]和 《糧食鋼板筒倉設計規范》 （GB50322- 2011）[9]推動了鋼板筒倉在我國的發展。這些規范的編制和實施，對筒倉的設計、施工、維護等方面都有著極大的指導和促進作用。 按結構形式將筒倉可分為：落地式和高架式[2]。落地式筒倉倉壁一般直接固結西安建筑科技大學碩士學位論文 2 于 基礎，這種 倉壁受力較均勻；其 直徑較高架式筒倉大。 高架式鋼板筒倉還可分為裙筒支承式和柱支承式。 （a ） 架空式 （b ）落地式 （c ）淺倉 （d ）深倉 圖 1.2 筒倉結構的分類 按規范[7-9]規定高徑比 將筒倉分為：淺倉和深倉。對于圓形筒倉內儲料的計算高度nh 與筒倉內徑nd 的比值大于或等于 1.5 時為深倉， 小于 1.5 時為淺倉。區分深倉與淺倉的目的主要是由于深倉和淺倉中散粒物料的流動狀態及壓力變化不同，因此深倉和淺倉的貯料壓力計算應采用不同的計算方法。 按形狀可將筒倉分為：圓形筒倉、矩形筒倉、多邊形筒倉等。圓形和矩形筒倉的運用較多。 按出料口位置將筒倉分為：底卸式筒倉和側卸式筒倉，底卸式筒倉使用較多。 按所用材料將筒倉分為：鋼筒倉、鋼筋混凝土筒倉和砌體筒倉。 砌體筒倉：砌體筒倉是使用最早的筒倉。由于砌體材料的限制致使其直徑和高度較小。砌體筒倉結構的抗震性能較差，在地震區的筒倉要采取很多特殊構造措施。加之其建造速度較慢等一系列原因，砌體筒倉使用受到限制，逐漸被鋼筋混凝土筒倉所取代。 鋼筋混凝土筒倉：鋼筋混凝土筒倉有著容量大、堅固耐用和抗震性能較好的一系列優點 ，使其在全世界范圍內得到廣泛的應用[10]。 鋼筋混凝土筒倉 從早期的普通鋼筋混凝土筒倉發展到現在的預應力鋼筋 混凝土筒倉， 這種改進極大程度的緩解了筒倉開裂問題， 加之 滑模技術在鋼筋混凝土筒倉建造和施工中 的運用，以及與筒倉配套的處理設備的完善[11]，使大規模的建造鋼筋混凝土筒倉成為可能。時至今日，鋼筋混凝土筒倉在倉儲結構中占有極其重要的地位。現在容量超過 10 萬噸，筒倉直徑超過 120m 的筒倉[3-4]陸續的建造于全國各地。但鋼筋混凝土筒倉也有一些不可避免的缺點。施工難度較大、 周期長、 造價高、混凝土倉壁自重大、溫度作用下容易開裂、在儲料的 作用下會引起混凝土保護層剝落等一系列原因，使得其使用受到限制。 西安建筑科技大學碩士學位論文 3 鋼筒倉：最早的鋼板筒倉為鉚接式，這種加工方式與混凝土筒倉相比而言并沒有優勢。隨著加工技術的發展，焊接技術在鋼結構中得到廣泛的運用，而且鋼材的產量和質量也有了較大的進步。裝配式鋼筒倉成為全世界范圍內發展最快的筒倉結構。與鋼筋混凝土筒倉相比，鋼筒倉有著以下優點[5]： 1.造價比 鋼筋混凝土筒倉低。鋼板筒倉的平均造價一般在 110~130 元/m3，而鋼筋混凝土筒倉的造價在330~390 元/m3。2.施工周期短、污染小。3.自重輕。鋼筋混凝土筒倉的倉體較重，會導致基礎處理費用高、難度大。 4.材料可重復使用。鋼材可以重復利用，所以可達到節約能源的目的。一系列優于鋼筋混凝土筒倉的特點使鋼筒倉在各行業快速發展的條件下得到廣泛的應用和推廣。 1.2筒倉結構研究現狀概述 1.2.1 薄殼穩定理論的發展 筒倉為圓柱薄殼結構，實驗結果表明圓柱殼體在軸向壓縮作用下臨界壓力實驗值僅為線性理論值的 1/5~1/2[12]；均勻溫度場下圓柱殼體臨界溫度實驗值卻要比理論預測值高[13]。所以圓柱殼的穩定性問題在工程界是最富有爭議和挑戰的領域。如果僅用線性穩定性理 論計算，常常會對結構的承載力做出過高的估計，甚至導致災難性的破壞。這種事實引起了工程師和力學家們對板殼的穩定性研究，為了解釋這種現象從而推動了板殼理論的發展和運用。 20 世紀初，鐵木辛柯（Timoshenko）等人就導出了軸壓下經典的圓柱殼屈曲應力[14]： 210.6053(1 )crttEERRσμ= ≈?（1- 1） 式中， E 為彈性模量， μ 為泊松比， R 為圓柱殼的直徑， t 為壁厚。這個公式是建立在線性小撓度和完全彈性及理想初始圓環的假設基礎上導出的。 通過實驗表明圓柱殼在軸壓下的屈曲應力實驗值僅為線性理論值的 1/5~1/2。為了解釋經典線性理論與實驗的差異，長期以來的研究中形成了三個主要方向：幾何非線性的影響、失穩前應力狀態的影響及初始缺陷的影響[12]。 1941 年，馮·卡門 (von Karman)和錢學森（ Tsien）提出了非線性大撓度理論[15]， 開辟了非線性后屈曲性態的研究。將軸壓圓柱殼的后屈曲形態寫成兩個級數項之和，用 Ritz 法得到結果。這個結果表明在達到失穩臨界荷載之后，有一個不穩定的急劇下降的平衡路徑，在遠低于失穩臨界荷載的位置上存在著一個穩定的西安建筑科技大學碩士學位論文 4 后屈曲狀態[5]。 1945 年(60 年代后才被廣泛傳播) ，科依特（ W. T. Koiter）提出考慮初始缺陷影響的初始后屈曲理論[16]。認為初始后屈曲的局部性決定殼體對缺陷的敏感程度，并由此提出“缺陷敏感度”的概念。根據科依特的理論，面內受壓的平板有著穩定的后屈曲平衡路徑，其對初始幾何缺陷是敏感的；相反，軸壓圓柱殼具有不穩定的后屈曲平衡路徑，其對初始幾何缺陷是敏感的。 1950 年，唐奈（ L. H. Donnell）研究了初始缺陷的影響[17]。他將初始缺陷以初始撓度的形式引入計算。 1964，施泰因（M. S tein）提出的非線性前屈曲一致理論[18]（非線性前屈曲協調理論）考慮了失穩前應力的不均勻性、非線性、支撐邊界條件及彎曲效應的影響。 綜上所述，殼體穩定理論經歷了非線性大撓度理論、初始后屈曲理論和非線性前屈曲一致理論。這些理論都 推動了殼體穩定研究的發展，但其自身有著一定的局限性，尚不足完全解釋理論預測與實驗數據之間的差異。 我國學者沈惠申提出的邊界層理論[13]可以在屈曲分析中同時考慮前屈曲非線性變形、后屈曲大撓度和初始幾何缺陷的影響。對薄殼的穩定作出了一定的貢獻。 隨著計算機的發展，有限元數值分析為薄殼的穩定問題開辟了方法。歐洲鋼殼規范[19]按是否考慮幾何、材料非線性及初始缺陷等因素給出了七種殼體分析的有限元方法。 1.2.2 殼體分析的無矩理論與有矩理論 由兩個曲面界限的物體，當兩曲面間的距離遠小于物體的其他尺寸時，稱為殼體。兩曲面間的距離即為殼體的厚度，平分厚度的曲面稱為殼體的中面。工程上將 t/R<1/20 的殼體稱為薄殼。鋼筒倉的壁厚與直徑小于 0.05，屬于薄殼結構。薄殼內存在兩種內力：薄膜內力，彎曲內力。如圖 1.3 所示，薄膜內力為,, ,x y xy yxNNN N；彎曲內力為 , , , ,,x y xy yx x yM M M M QQ。殼體的內力為[20]： 00 00222(), () 112(1 )x x yy y xxy yxEt EtNNEtNNε με ε μεμμμ?= += +??????= =?+?（1?2）薄膜內力（1?3）西安建筑科技大學碩士學位論文 5 3312 21223(), () 12(1 ) 12(1 )12(1 )xyxy yxEt EtMMEtMMκ μκ κ μκμμχμ?= += +??????= =?+?（1?4）彎曲內力（1?5）（a ）無矩狀態 （ b）有矩狀態 圖 1.3 薄殼內力 上式為鐵木辛柯和拉甫所推薦的殼體物理方程，其中0 0 00,,x y xyεεγ 為中面的應變，12,,κκχ為中面曲率改變和扭率。 當殼體的抗彎剛度3212(1 )Etμ?很小，或者中面的曲率改變和扭率很小；由物理方程可以看出 ,, ,x y xy yxMMM M都很小。這樣，在建立殼體的平衡方程時就可以忽略彎曲應力對平衡的影響，就可以得到無矩的應力狀態。對于剛度非常小的薄殼即為柔韌薄膜，不能抵抗彎曲和壓縮，無矩狀態是其唯一的應力狀態。金屬薄殼可抵抗壓縮和彎曲，只有當滿足某些條件時，彎曲內力才較小，才處于無矩應力狀態。所以對于有一定剛度的薄殼，無矩狀態只是它可能的應力狀態之一。由于無矩薄殼計算簡單，且應力沿厚度均勻分布，材料強度可以合理利用，所以是工程中最理想的應力狀態。 但由于理想的無矩狀態不易保證，至少在邊界附近不易保證。在實際結構中由于邊界條件、缺陷等各種因素的影響，無矩狀態是難以實現的，因此有矩理論也是十分必要的。在薄殼的計算中，可以以無矩理論作為分析的依據，在局部彎曲較大的區域用有矩理論進行補充驗算。