大型钢筒仓运行稳定性研究

摘要：以大型柱支承式钢筒仓为研究对象，利用ANSYS有限元分析软件建立模型。不同于一般的储料荷载的加载，直接建立了储料的参数化有限元模型，再利用我国规范对风荷载进行计算，研究空仓时在风荷载下钢筒仓应力应变情况。然后通过研究风荷载+空仓、轴对称储料荷载+满仓两种工况，分析得出在钢筒仓最大应力处满足刚度强度要求，在许用应力范围之内。

关键词：建筑科学有限元分析轴对称储料荷载钢筒仓风荷载

近年来，钢筒仓在农业和工业上的应用越来越广泛，相比于混凝土筒仓，由于钢筒仓的建造周期更短，经济性更好，钢筒仓占据了主要的使用地位，钢筒仓又分为落地式和高架式两种。本文针对大型高架式钢筒仓进行稳定性研究，实际工况中该模型是群仓中的一个，为了计算方便，本文只对其中一个进行分析，由于群仓的稳定性更好，只要单仓的计算结果满足要求，群仓则肯定满足要求。

1、钢筒仓有限元分析

该大型钢筒仓总高度H为65m，外直径D为20m，钢板厚度32 mm，仓底锥体坡度45°，仓顶锥体坡度30°，底部支撑柱为18根，储料密度为1 000 kg/m3，储料与仓壁的摩擦系数μ=0.2，钢筒仓几何模型如图1所示。钢筒仓的钢板之间、钢板和槽钢之间以及支撑柱和仓体之间采用焊接的方式连接[1,2]。

2、载荷计算

本文主要考虑重力荷载、风荷载+空仓、轴对称储料荷载+满仓荷载。

图1钢筒仓几何模型（单位：mm)

2.1重力荷载

主要包括仓体自重、支撑体自重等，重力计算在ANSYS中直接可以施加，本文的重力加速度设置为9.8 m/s2。

2.2风荷载

本文采用我国的《建筑结构荷载规范》，风荷载按照式（1）进行计算：

式中：wk为风荷载标准值，kN/m2;βz为高度在Z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压，kN/m2。

2.2.1风振系数

本文风振系数的计算，根据规范只考虑第一振型的影响，则：

式中：ξ为脉动增大系数，取1.77;v为脉动影响系数，取0.46；φz为振型系数，钢筒仓振型系数[3]如表1所示，其中H为钢筒仓净高，m;Z为离地面的高度，m;Z/H为相对高度，无量纲；μz为风压高度变化系数。

表1钢筒仓振型系数  

2.2.2风荷载体型系数

本文采用了table数组进行插值计算，表2的最后一列是本文所需的风荷载体型系数。

2.2.3风压高度变化系数

风压高度变化系数μz，本文钢筒仓建在郊区，采用B类的粗糙类型，其计算公式：  

表2钢筒仓表面分布体型系数  

2.2.4基本风压

本文的基本风压计算是根据《建筑结构荷载规范》50年一遇的风压，本文中取的是0.5 kN/m2。

2.3轴对称荷载

本文储料荷载的施加是通过再钢筒仓内建立储料模型，直接对钢筒仓施加了由储料引起的竖直和水平压力[4,5]。本文对偏心距CS31进行了参数化的设置，CS31=CS1/2*x(CS1为筒仓外直径），x取0时对应偏心距为0，即轴对称储料；储料高度CS32=CS3*h(CS3为筒仓总高度，当h=0时，表示空仓；h=0.5/1.0时，表示半仓/满仓）；储料偏心锥度对应竖向高度CS33=CS24*1.0(CS24为仓顶斜坡对应外壁的竖向长度）。

在实际工况中，储料并不会完全装满钢筒仓（即h≠1），且当h=1时，该储料模型和钢筒仓仓顶会合并在一起影响分析，同时为了保证钢筒仓在尽量装满情况下的稳定性，本文满仓时取h=0.99分析。

3、钢筒仓有限元模型

3.1材料属性

钢筒仓采用Q235钢材，钢材的密度为7850kg/m3，弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.27，许用应力[σ]为156.7MPa。应用ANSYS建立钢筒仓有限元模型，见图2。

3.2约束条件

根据钢筒仓实际情况，钢筒仓底部支撑部分与地面固结，所以需要对每一根支撑柱与地面接触点进行约束，并且约束6个自由度。

图2钢筒仓有限元模型   

4、施加荷载

4.1风荷载+空仓

在仓顶锥体与竖直仓壁接触位置的应力和应变较大，而且，在施加风荷载角度为0（风荷载垂直仓壁）时，应力应变最大，且最大应力为0.132×108Pa，实际最大位移为0.661×10-4m，位移很小。在风荷载+空仓工况下，应用ANSYS软件进行求解，获得钢筒仓应力云图和位移云图如图3和图4所示。

图3风荷载+空仓工况应力（Pa）云图  

图4风荷载+空仓工况位移（m）云图   

4.2轴对称荷载+满仓

在对轴对称储料研究时，考虑到满仓情况下钢筒仓的应力应变最大，所以本文对满仓情况下的轴对称储料荷载进行分析。仓底锥体与竖直仓壁接触位置的应力和应变最大，且最大应力为0.127×109Pa，在许用应力156.7 MPa之内，实际最大位移为0.013 274 m。在轴对称荷载和满仓工况下，应力ANSYS软件进行求解获得钢筒仓应力云图和位移云图如图5和图6所示。

图5轴对称荷载+满仓工况应力（Pa）云图（下转第5页）  

图6轴对称荷载+满仓工况位移（m）云图  

5、结论

通过分析，在风荷载+空仓以及轴对称储料荷载+满仓两种工况，最大应力均在许用应力156.7 MPa（安全系数取1.5）之内，该模型稳定性满足设计要求。

参考文献:

[1] 国家粮食局.粮食钢板筒仓设计规范:GB 50322—2011[S].北京:中国计划出版社,2011.

[2] 贮仓结构设计手册编写组.贮仓结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3] 曹庆帅.大型钢筒仓在储料荷载及风荷载作用下的稳定性能[D],杭州:浙江大学,2016.

[4] 赵阳,俞激.仓壁柱承钢筒仓结构行为的研究[J].工程力学,2006,11(23):63-39.

[5] 宋昌永.平底圆形钢筒仓稳定性设计———储料荷载[J].空间结构,2003,9(3):55-56.