机械工业第一设计研究院 安徽合肥 233000
摘要：针对混凝土筒仓结构长期暴露与大气中，结构的温差导致结构破坏，采用板单元温度梯度模型，对温度作用引起的结构内部效应进行有限元分析，得出温差引起的最不利位置，引导筒仓的结构设计。
关键词：温差；温度梯度；板单元；有效应力
1.前言
混凝土筒仓是应用于工农业生产中固体颗粒散料储备的特种结构形式，大型存储站广泛应用，如各类粮食作物的贮存、水泥厂的散料贮存、热电厂的煤炭储存等[1]。日照温差对于小型筒仓的影响不是很大，但对于大型或超大型的筒仓，应做必要的验算，日照对筒仓表面的照射角度不同，沿仓壁的高度方向可设定为常数，水平方向各点的温度则不同。
2.筒仓仓壁上的温度作用
在外力作用下，构件的单位变形与构件的应力成正比。当温度作用产生的变形不受约束时，自由变形越大，温度应力反而越小，在不受任何约束的条件下，则构件将不会产生温度应力。对筒仓而言，小型筒仓的仓上建筑物对筒仓的下部构件有一定的约束作用，如对仓壁整体浇注的漏斗或筒仓的基础以及仓内的物料都有一定的约束作用[2]。因此，凡是有约束的部分就会有温度应力。对温度变形约束的不同，所产生的温度应力的大小也会不同。对于大型或超大型筒仓，当其直径大于40m或更大时，仓上建筑一般不可能采用整体浇注的钢筋混凝土结构，此时其他型式的大跨结构，对仓壁的约束相对较小，设计可根据所采用的不同结构产生的约束条件来计算温度应力。根据其温度应力的大小，或可忽略其对筒仓的影响。大型筒仓下部的卸料构件，一般不与仓壁整体连接，可认为对筒壁没有约束。然而筒仓的基础对筒壁会有约束作用，因此会影响筒仓环向及竖向的温度应力[3]。
3.筒仓温度应力分析
筒仓温度应力采用midas Gen通用建筑结构有限元软件中温度梯度荷载进行分析。温度梯度分析适用于具有弯曲刚度的单元，如梁和板单元。对梁单元，需要输入沿单元局部坐标系y轴和z轴方向距截面边缘的距离和温度差；对板单元，温度梯度可用板上下面的温度差和板厚表示。温度梯度产生的等效弯矩如下：
其中，α是线性热膨胀系数，E是弹性模量，I是绕梁单元相应中和轴的惯性矩，ΔT是单元两边缘（最外面）间的温度差，h是单元截面两边缘间的距离，t是板厚，v是泊松比。
3.1 筒仓有限元建模
安徽某农站粮食临时存储筒仓，直径10m，高20m，材料为C30混凝土，筒壁厚度为0.3m，锥斗壁厚为0.3m，筒仓顶板厚度为0.08m。筒仓单元类型为板单元，设定温度梯度荷载模拟温度应力分析，主要考虑筒仓顶部、仓壁和卸料区的温度的变化区域。根据安徽地区温差统计数据分析，昼夜温差平均在20℃。在应力分析中，筒仓顶部和上部仓壁温度梯度差为20度，卸料漏斗区温度梯度向外温差分布。为对比温差导致的结构影响程度，有限元模型中分别对重力作用下和装满粮食后的整体结构分析。
3.2 筒仓应力分析结果
在重力作用下，筒仓结构有效应力（von-Mises 应力）云图如图1所示。在上部筒仓剖断结果统计出，最大应力为0.7MPa。在筒仓装满粮食后，筒仓结构有效应力（von-Mises 应力）云图如图2所示，剖断结果最大应力为1.5MPa。考虑温差环境下的筒仓结构有效应力（von-Mises 应力）云图如图3所示，剖断结果最大应力为4.2MPa。从分析的结论来看，温度变化对结构的内部影响是最大的，最大的应力位置出现在仓壁。
图3 20℃温差作用下筒仓有效应力云图
结论
对于平面为圆型的筒仓，其结构形式属于薄壁筒壳，受温度影响的部位为筒壳的环向（水平方向）、竖向（筒壳的高度方向）及圆平面的径向。若仓壁或筒壁的移动不受限制，则在筒壳的竖向和径向将不产生温度应力。
根据《钢筋混凝土筒仓设计规范GB50077-2003》[4]，“规范”4.1.1条规定，“无实践经验时，环境温度作用按永久荷载计算，直径21~30m的筒仓可按其最大环拉力的6%计算，直径大于30m的筒仓可按8%计算。”对于复杂切重要程度较高的筒仓结构可按照本文介绍的基于温度梯度的荷载加载模式，得出有限元分析结果中最不利的位置，指导筒仓结构的设计。
参考文献
[1]藤锦光 赵 阳，大型钢筒仓的结构行为与设计[J].土木工程学报，2001，34（4）
[2]陈辉等，温度作用对钢筒仓结构影响的有限元分析[J].四川建筑科学研究，2006，32（6）
[3]崔元瑞 王周慧，筒仓结构的温度应力[J].特种结构，2012，29（1）
[4]国家标准.钢筋混凝土筒仓设计规范GB 50077-2003
论文作者:孔洁
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/22
标签：筒仓论文; 应力论文; 温度论文; 结构论文; 梯度论文; 温差论文; 单元论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;