钢板仓受地震荷载作用的有限元分析

摘要：对某钢板仓进行了有限元强度计算，求得了钢板仓在9级地震下的应力，为工程设计提供了参考依据，并对原设计方案提出了修改意见。

关健词：地震，应力，变形

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：

0引言

在我国，钢板筒仓的应用与发展始于20世纪初期，发展速度较快，初期主要用来储存粮食，随着我国工业建设的迅速发展，愈来愈多地用于贮存砂石、水泥等散体材料。钢板筒仓由于存在着整体性能好、自重轻、气密性能好、建造工期短、造价低、散热快、易管理等许多优点，而得到广泛的应用与推广。

地震灾害表明钢板仓的抗震设计是很必要的，若设计不当，会造成强度不足，支撑体系残缺，致使发生严重的破坏或倒塌。为在满足我国“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则的前提下，尽可能地降低工程造价，本文对某钢板筒仓进行了有限元分析。

1尺寸及材料的力学参数

钢板仓直径为22m，高度为16.5m，由规范可知本仓为浅仓。仓体设计使用的是Q345钢材，竖向加劲肋与环向加劲为Q235槽钢，计算中取弹性模量E=2.07×109MPa，泊松比。

2载荷分析

计算工况为在9级地震荷载作用下仓内装满水泥时的荷载工况，根据设计规范的规定需计算水泥对筒仓仓壁的水平压力、对筒仓仓壁的竖向摩擦力和地震力。

2.1 水泥对筒仓仓壁的作用力[1]

水泥对仓壁的水平压力的计算公式为

（1）

式中：—深度S处作用在仓壁单位面积上水平压力标准值；

—水泥的重力密度，取16000；

K—水泥侧压力系数，取0.3333。

水泥对仓壁的竖向摩擦力标准值按下式计算：

（2）

式中：—深度S处作用在仓壁单位面积上竖向摩擦力标准值；

—水泥对仓壁的摩擦系数，取0.3。

水平压力与竖向摩擦力均由程序施加在仓壁的内壁上。

2.2 地震作用力

根据设计规范的规定[1]，采用底部剪力法计算落地式钢板筒仓的水平地震作用，考虑筒仓储料90%的重量和结构的重量，没结构竖向高度简化为11个质点，整个结构简化为11个质点的体系模型，再将水平地震作用标准值分配到每个质点上。

筒仓底部的水平地震作用标准值的计算公式为：

（3）

沿筒仓高度第i个质点分配的水平地震作用标准值的计算公式为：

（4）

式中：—筒仓自重（包括仓上建筑）的重力荷载代表值；

—水泥的重力荷载代表值；

—第i质点的重心高度；

—地震影响系数最大值，地震烈度为9度时取0.32。

根据实际工程建立有限元模型，把每个质点上所分配的水平地震力平均分到相应高度的每个节点上[2]。

3有限元模型[3-4]

仓体为圆柱形，由不同厚度的钢板焊接而成，仓顶为圆锥形顶盖，仓体内壁设有竖向加劲肋，外壁设有环向加强筋，均为槽钢。在不同高度上的钢板厚度和使用的槽钢型号不同，故需分段建立有限元模型。以壳体Shell181模拟仓壁，以beam188模拟加劲肋。建立的有限元模型如图1所示，本计算模型共计1080个结点，2970个单元。

图1 有限元模型示意图

4计算结果及分析

4.1 变形

仓体的变形情况如图2所示。

图2 地震荷载作用下变形图

由于地震荷载沿高度分布不均匀，上部大，仓壁的最大位移发位在仓顶，为28.6mm。

4.2 应力

筒仓壁的Von Mises应力图如图3所示。

图3 筒仓壁的Von Mises应力云图

筒仓壁的最大应力为229MPa，发生在仓体底部。Q345钢材的屈服强度为345MPa，设计强度为310MPa，满足钢板仓抗震设计的强度要求。

加劲肋的Von Mises应力图如图4与5所示.

图5 加劲肋的Von Mises应力云图

竖向加劲肋的最大应力为176MPa，发生在竖向加劲肋底部，竖向加劲肋的应力基本呈现从下到上逐渐减小的趋势，环向加劲肋最大应力为141MPa，其应力变化比较复杂，主要是地震荷载和水平压力共同作用的结果。Q235钢的屈服强调为235MPa，设计强度为210MPa，满足抗震设计要求。

5结束语

本文以整体模型为计算模型，对钢板筒仓进行了有限元分析，分析了钢板筒仓在地震荷载作用下筒仓壁和加劲肋的应力，根据应力计算结果对钢板仓进行了强度校核，并提出减小竖向肋与环向加劲肋布置间距与截面的建议。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准．GB50332—2001，粮食钢板筒仓设计规范[S] ．北京：中国计划出版社．

[2]高金锁．落地式钢筒仓地震作用分析[D] ．西安建筑科技大学，2009．

[3]朱伯芳．有限元法原理与应用[M] ．北京：中国水利水电出版社，1998．

[4]龚曙光．ANSYS基础应用与范例解析．北京：机械工业出版社，2003．