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落地式钢板筒仓是钢板筒仓结构中的一种,由于直接支承于地面,故仓储量较大,单仓直径可达到100m,单仓仓储量可达到100,000吨,是目前钢板筒仓中应用最广泛的一种结构形式。我国对落地式钢板筒仓的研究尚处于起步阶段,虽有《粮食钢板筒仓设计规范》(GB50322-2001)为设计依据,但规范中尚有许多不完善之处,主要包括以下几点:(1)储料荷载中仅有静态储料对仓壁的作用力计算,并未包括卸料状态、特别是偏心卸料状态下储料对仓壁的作用力计算,由于偏心卸料时储料对仓壁作用力的不均匀和不对称性,常对仓壁的屈曲承载力起到控制作用。(2)仓壁的屈曲承载力计算中仅有均匀内压和轴压共同作用下仓壁的弹性屈曲承载力,并未包括均匀内压和轴压共同作用下仓壁的弹塑性屈曲承载力计算,以及不均匀内压和轴压共同作用下仓壁的弹性和弹塑性屈曲承载力计算。(3)以底部剪力法的基本原理规定了落地式钢板筒仓各部分所承受的水平地震作用,并未考虑地震作用下储料与仓壁结构的相对运动,故在计算储料对仓壁的水平地震作用时,会得到不准确的结果。本文以落地式钢板筒仓为研究对象,通过试验、有限元和颗粒流等手段对落地式钢板筒仓的静力和动力性能进行了分析与研究。本文主要的工作和成果如下:
1.对卸料时储料对仓壁作用力的分布形式和大小进行了研究,分为以下几个方面:(1)设计了落地式钢板筒仓的试验模型,分别为一个钢板筒仓和一个有机玻璃筒仓,设计了包括中心卸料和偏心卸料在内的8种卸料工况,包含了3种卸料口直径和3种卸料口偏心位置,通过动态应变仪记录了卸料过程中仓壁上应变的变化情况,总结出了各种卸料工况下仓壁上不同位置应变的变化规律。(2)采用了一种逆推方法,由仓壁应变得到了储料对仓壁的侧压力,由各种不同卸料工况下储料对仓壁侧压力的分布规律,得到了卸料时储料对仓壁侧压力随卸料口直径、卸料口偏心位置的基本变化规律,总结出了卸料时储料对仓壁侧压力的基本分布形式。(3)采用二维和三维颗粒流程序PFC2D和PFC3D,对筒仓卸料进行了参数化分析,包括储料的细观参数——法向接触刚度、切向接触刚度和摩擦系数,筒仓的宏观参数——高径比、卸料口直径与筒仓直径之比和卸料口的偏心率,并对不同颗粒形状的颗粒体特性进行了研究,得到了各种参数下储料对仓壁侧压力沿高度方向(采用PFC2D程序)和圆周方向(采用PFC3D程序)的分布形式,在此基础上,对各种参数进行了数值拟合,并结合由试验采用拟推法得到的储料对仓壁侧压力的结果,总结出了卸料时储料对仓壁侧压力的计算方法。
2.采用有限元程序ABAQUS,对落地式钢板筒仓的圆柱形仓壁壳体进行了非线性、弹塑性承载力的参数化分析,包括仓壁的高径比、仓壁的径厚比、各种形式的初始几何缺陷及其缺陷幅值、均匀内压的大小、各种偏心卸料状况下的不均匀内压形式及其大小等因素,主要内容分为以下几个方面:(1)对轴压和均匀内压共同作用下仓壁圆柱壳的弹性屈曲承载力进行了计算分析,并与规范结果进行了对比。(2)对轴压和均匀内压共同作用下仓壁圆柱壳体的弹塑性屈曲承载力进行了计算分析,通过对计算结果的数值拟合,得到了其弹塑性屈曲承载力的计算公式。(3)对轴压和不均匀内压共同作用下仓壁圆柱壳体的弹性和弹塑性屈曲承载力进行了计算分析,通过对计算结果的数值拟合,得到了其弹性和弹塑性屈曲承载力的计算公式。
3.对地震作用下落地式钢板筒仓的动力性能进行了颗粒流模拟和试验研究,主要包括以下两个方面的内容:(i)采用PFC2D颗粒流程序,对落地式钢板筒仓的动力性能进行了研究,包括了3种高径比的筒仓,采用了正弦地震波,得到了各种峰值加速度下储料对仓壁水平地震作用的分布形式和大小,在仓壁完全刚性的基础上,得到了储料对仓壁水平地震作用计算的简化公式。(2)设计了两个钢板筒仓模型,输入El-Centro、Taft和正弦三种地震波,进行了两个钢板筒仓模型的振动台试验,得到了振动过程中仓壁不同位置应变和加速度的变化情况,并对其基本规律进行了总结,通过一种逆推法,由仓壁的环向应变得到了振动某时刻储料对仓壁的动态侧压力,对比颗粒流的模拟结果,修正了规范中的水平地震作用沿简仓高度的分配方法,得到了储料对仓壁水平作用力的简化计算方法。
4.对落地式钢板筒仓的其它值得研究的问题进行了研究,结合本文的研究成果和规范的已有条文,总结了落地式钢板简仓的静、动力设计方法,主要包括以下几个方面的内容:(1)仓顶结构的简化计算方法,包括仓顶斜梁的简化设计方法和仓顶斜梁双力矩的计算公式。(2)采用ANSYS程序,建立了落地式钢板筒仓参数化建模、加载和计算的整个流程,对钢板筒仓的计算机辅助设计进行初步的探讨。(3)对空仓状态下风荷载作用下钢板筒仓的屈曲性能进行了初步研究,选用了目前常用的波纹钢板竖向加劲钢板筒仓,并考虑项部若干道抗风环的影响,对影响其屈曲承载力的几个因素进行了研究。(4)结合本文的研究成果和规范的相关规定,对落地式钢板筒仓的整个设计过程进行了整理与总结,在本文研究成果和规范结合的基础上,得到了一套更完善的落地式钢板筒仓的设计方法。