大型钢筋混凝土球仓有限元数值模拟

张乔林 杨小军 汪 涛

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710061)

0 引言

随着煤矿规模及产量的提升，考虑到实际工程工艺的需要，筒仓需要更大的储量。其中，以充气膜与壳体结构的结合成为一种新型的结构形式。气膜薄壳钢筋混凝土结构以性能良好的柔软织物为外膜，充气后依次在膜内喷射聚氨酯形成稳定的模板，然后绑扎钢筋、喷射混凝土，借助于密闭空间内空气压力保持膜面张力，以形成具有一定刚度、受力良好的大空间气承式膜结构体系[1,2]。目前以门克庆煤矿及大屯电厂球仓为此类工业建筑的典型代表。郭锋，梁哲章[3]通过和国内常见的其他煤炭仓储形式比较，介绍了气膜钢筋混凝土穹顶球仓在建设和使用方面的众多优点。同时介绍了中天合创公司选煤技术人员在气膜钢筋混凝土穹顶球仓建设过程中的技术优化。文献[4]采用喷射混凝土等施工工艺高质量的完成了气膜薄壳储煤仓的施工，并取得显著的经济效益。丁大钧[5,6]，徐芝纶[7]等国内学者，对薄壳结构理论做了深入的研究并颁布了钢筋混凝土薄壳结构设计规程[8]来指导结构设计。

1 工程概况

中煤陕西榆林能源化工有限公司某选煤厂原煤球仓直径66 m，仓体高66.50 m，是目前我国最大的堆煤球仓。其中仓壁直段33.50 m，锥壳段为33 m半球形壳，仓上建筑2层，1层为设备层，2层设水箱间，仓上建筑位于直径14 m的同心圆内。仓体最大储煤量为10万t。

上部结构为半球穹顶，下部为筒体。结构对称，布置均匀，为平面及竖向规则体系，结构的设计使用年限为100年。

由于原煤运输工艺布置的需要，在仓下布置四条暗道穿过仓壁；锥壳开直径1 m的进风孔16处，同时为了避免瓦斯的聚集，在此设直径1.65 m的卸爆孔10处。具体布置见图1(具体模型参考三维几何模型)。

设计基本风压值、基本雪压值根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范附录E.5《全国各城市雪压、风压和基本气温》，本地区基本风压：Wo=0.45 kN/m2(100年重现期)；基本雪压：So=0.30 kN/m2(100年重现期)进行选取。

抗震资料：根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)和GB 18306—2015中国地震动参数区划图，本地区地震动峰值加速度0.05g，场地类别Ⅱ类，反应谱特征周期0.35 s，第一组。

2 结构有限元模型的建立与分析

本文采用结构分析通用有限元软件ANSYS[9]进行整体建模，由于漏斗切分，模型局部尺寸不规则，为便于网格划分，模型采用四面体单元，同时设计计算采用理想的弹性材料模型。

由于漏斗填料致使漏斗与仓壁交接部位不在同一标高，这导致了仓壁的受力差异较大，因此采用整体建模的方式进行分析。

所建模型具体包括：地基基础、仓壁混凝土结构、四条暗道、两类填料、两煤堆填料以及上部环梁，如图1～图8所示。仓上设备层及水箱间通过节点及线荷载施加在仓顶环梁。

2.1 网格划分

网格划分的尺寸煤堆按1.8 m；侧壁按1.2 m；环梁按0.6 m；暗道及漏斗按0.8 m；地基按1.2 m网格划分结构如图9～图14所示。

2.2 材料参数

结构地基用等效弹性模量的方法模拟实际地基状况；仓壁混凝土采用C40喷射混凝土，暗道采用C40抗渗混凝土，下层填料模拟实际水泥土，上层填料模拟实际气囊混凝土，具体材料属性如表1,表2所示。

表1 材料属性列表

材料名称密度kg/m3弹性模量/Pa泊松比导热系数W/(m·K)热膨胀系数C-1混凝土26003.2E100.22.9441E-5上层填料17001.65E90.20.841E-5下层填料16004.56E80.320.842E-6煤10001.3E90.351.66.4E-6注:煤材料采用Mohr-Coulomb非线性材料,其中内摩擦角取38°;粘滞力取1.21E6Pa,剪胀角取20°;地基材料采用土和桩等效的材料属性,地基根据实际土层的分布状况分三层

表2 地基材料属性列表

2.3 施加荷载

荷载工况：1)恒荷载(结构自重以及顶部仓上恒荷载)；2)满堆煤容重；3)局部堆煤活荷载工况一：最边侧廊道卸煤，其他廊道不卸煤；4)局部堆煤活荷载工况二：边侧两个廊道同时卸煤，其他廊道不卸煤；5)局部堆煤活荷载工况三：中间一个廊道卸煤，其他廊道不卸煤；6)顶部仓上活荷载；7)风荷载作用；8)雪荷载作用；9)温度作用(包括温升，温降作用)；10)地震作用。

在球仓的计算分析中，考虑以上的荷载工况，在得到的各个荷载工况结果的基础上，进行荷载工况组合，得到最不利工况组合。

2.4 仓壁内力分析

由于漏斗板与仓壁相接触的位置标高的差异导致仓壁在漏斗范围同一水平面的环向拉应力相差较大，因此得采用该标高处的最大环向应力来配筋。本次取1.3恒荷载+1.4储料荷载+1.5×0.7×活荷载+1.5×0.7雪荷载+1.5×0.6风荷载基本组合工况，选择球仓外壁沿竖直方向的两个路径，分别代表球仓外侧和球仓内侧，提取了外侧路径和内侧路径的数据结果，包括柱坐标系下仓壁自下而上的环向应力、径向应力及经向应力，间距1.5 m为一个平均应力区；分别见图15～图17。

由曲线图可知：

1)环向拉应力数值较大，环向应力最不利位置位于球仓外壁面6 m～7.5 m位置，即外壁与门洞连接位置；

2)径向应力最不利位置一般为外壁尺寸变化位置，如底部基础位置、仓壁直段与锥壳段连接位置、仓壁开洞位置等；

3)经向应力最大位置大多数为外壁底部，个别尺寸变化位置存在应力集中，如底部基础位置、仓壁直段与锥壳段连接位置、仓壁开洞位置等。

3 结语

本次通过有限元软件系统分析了我国最大的某球仓结构在恒荷载、满堆煤容重、风荷载等最不利荷载工况组合，系统探讨了该结构仓壁应力分布规律，得出了一些能够应用于实际工程设计之中的结论，具体如下：

1)根据ANSYS分析结果因考虑工况组合，钢筋混凝土筒仓设计标准[10]附录C公式仅有堆煤工况下计算出来的仓壁压力结果偏大。望今后这种型式的筒仓用钢筋混凝土筒仓设计标准[9]附录C公式对有限元分析结果进行单工况对比。

2)穹顶受力状态表明穹顶的薄膜应力基本上都是无矩状态。穹顶受到的集中力只存在于边缘局部范围，一般下部受拉，上部受压，且很快都转化为压应力。

3)穹顶出现反弯平面的位置大约在圆心角45°方向。上部环向为压应力，下部环向为拉应力。即上部环向配筋应主要抵抗穹顶向内变形，下部穹顶环向配筋主要抵抗向外变形。