不同贮料工况下散装粮食楼房仓结构动力特性研究

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散装粮食楼房仓是一种适用于原粮散存的新型多层房式储仓结构,具有节约土地、仓容量大、储粮效果好等优势,是粮食安全储备和应急保障的重要设施,其抗震性能研究是一个重要问题。目前,散装粮食楼房仓主要按照常规框架结构进行抗震设计,但在实际储粮中,装粮高度大、储粮工况复杂以及粮食散体与仓体结构动力相互作用等因素,使其动力特性明显不同于常规框架结构,因此,对其开展不同贮料工况下结构的动力特性研究具有理论意义和工程价值。本文依托河南省科技攻关项目(212102310955),以散装粮食楼房仓结构为研究对象,采用振动台模态试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,对不同贮料工况下楼房仓结构进行动力特性研究。主要研究内容和结论如下:(1)设计并制作了散装粮食楼房仓结构模型,采用峰值加速度为0.05g的白噪声,进行了结构模型X、Y两个主轴方向,八个贮料工况的振动台模态试验,分析获得了动力特性,结果表明:X方向上,沿结构模型高度方向贮料每增加一层,固有频率减少35%,阻尼比提高10.35%;贮料质量一定时,贮料位置沿高度方向每增高一层,固有频率减少33%,阻尼比提高12.35%;Y方向上,贮料质量每增加一层,固有频率减少35%,阻尼比提高10.32%;贮料位置每增高一层,固有频率减少33%,阻尼比提高15.08%。贮料质量及其分布位置对楼房仓结构动力特性影响较为显著,因此,考虑散装粮食楼房仓在不同贮料工况的结构动力特性是必要的。(2)针对楼房仓结构模型八个储粮工况,进行了0.10g、0.20g、0.30g、0.40g四个峰值加速度等级白噪声激励的振动台模态试验及动力特性对比分析,分析表明:随着激励依次增大,结构模型固有频率依次递减,较0.05g白噪声激励,沿X方向固有频率依次减少1.88%、4.72%、6.17%、7.69%,沿Y方向依次减少2.55%、6.37%、8.75%、10.72%;同时,结构模型阻尼比则随之依次增大,较0.05g白噪声激励,沿X方向阻尼比依次增大10.07%、16.53%、25.47%、32.97%,沿Y方向依次增大10.69%、20.50%、33.64%、47.14%;随着加速度激励增大,贮料间及贮料与仓壁间挤压运动和摩擦更为显著,贮料耗能作用提高;散装粮食楼房仓贮料与仓壁存在复杂动力耦合效应,其结构动力特性与贮料运动状态及地震激励大小存在显著关联。(3)采用ABAQUS软件,基于Drucker-Prager本构模型,进行了不同贮料工况下散装粮食楼房仓结构模型的数值模拟与分析,获得了模型结构的动力特性。结果表明:前两阶主振型为分别沿X、Y方向的平动,第三阶主振型为沿Z方向的扭转;八种工况下的前两阶固有频率模拟值与试验值误差均小于5%,验证了散装粮食楼房仓结构有限元模型的合理性与有效性,为其地震响应分析提供了一种数值模拟方法。(4)采用三质点串联的动力计算模型,基于运动特征方程对散装粮食楼房仓结构模型在不同贮料工况下的固有频率进行分析,并提出了贮料对层间的刚度贡献系数、质量分配系数以及考虑激励的动质量系数。结果表明:贮料对楼房仓结构提供一定的刚度和质量贡献,沿X方向,贮料对其所在层的层间刚度贡献系数为1.16,贮料对上、下层质量点的质量分配系数分别为0.13和0.87;沿Y方向,刚度贡献系数为1.41,对上、下层质量点的质量分配系数分别为0.08和0.92;0.10g~0.40g峰值加速度下,X方向动质量系数依次为1.04、1.10、1.14、1.18;Y方向动质量系数依次为1.06、1.15、1.21、1.27。研究可为散装粮食楼房仓结构动力特性计算提供参考,为完善其抗震性能分析和设计方法提供依据。
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