大跨度筒仓水泥储存库的数值模拟研究与分析

1.  计算任务

由于水泥储存库放料口上部为一个大跨度混凝土圆形筒仓,通用的结构分析软件不能对此进行分析,故采用有限元软件ABAQUS进行强度及刚度的计算。ABAQUS也是美国达索公司旗下产品,是一款功能强大、应用很广的有限元分析软件,其可用于解决从简单线性分析到复杂非线性分析等各类问题。ABAQUS拥有一个丰富多样的单元库和材料模型库,可模拟多种工程材料的性能,其中包括金属、复合材料、钢筋混凝土、高分子材料、泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料,作为通用的模拟工具,ABAQUS除了能解决大量结构问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析等。



2. 设备基本情况

大型通用有限元软件ABAQUS采用的设备如下图所示。

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大跨度筒仓水泥储存库数值模拟分析与研究的图2


3. 筒仓荷载

荷载分项系数,恒载为1.3,活载为1.3。


面荷载:

1)恒载:40*1.45=58kN/m2;

2)活载:190*1.45=275.5kN/m2


减压锥区域线荷载:

1)恒载:(65.4*1.45+52)=146.83 kN/m;

2)活载:311*1.45=450.95 kN/m。



4.有限元建模理论

通过三维建模软件Rhino对整个结构进行建模,混凝土采用实体单元,钢筋采用桁架单元,将建立的模型分别导入ABAQUS软件进行分析,其中混凝土采用混凝土塑性损伤模型,钢筋采用双折线模型,对其进行力学分析。其中CDP模型本构关系中采用了有效应力和硬化变量来进行描述:

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受压时取0.35~0.7,本文均取0.6。钢筋本构模型常用的主要有理想弹塑性模型和弹塑性强化模型,如图4-4所示。墙体中钢筋采用的是弹塑性强化模型,该模型又有等向强化和随动强化,后者的弹性卸载区间是初始屈服应力的两倍,材料弹性区间总体保持不变,但由于拉伸时产生强化而使压缩屈服应力幅值减小,即一定程度上考虑了鲍辛格效应(Bauschinger effect),故更适用于循环加载的情况,本文采用的正是该强化模型。

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a) 理想弹塑性模型



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b) 弹塑性强化模型

图4-4 钢筋本构关系模型



5.数值模拟结果

1)筒仓混凝土应力结果

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筒仓上部Mises应力

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筒仓下部最大主应力

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筒仓下部最大主应力

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筒仓上部最小主应力

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筒仓下部最小主应力


2)筒仓位移结果

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筒仓上部竖向位移

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筒仓下部竖向位移



2)钢筋应力结果

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钢筋应力



6.数值模拟结果分析

1)从应力结果来看,筒仓最大Mises应力位于柱与腋的相接部位的角部,柱的应力较大,最大Mises应力为13.74MPa;

2)混凝土的最大压应力为13.66 MPa,最大拉应力为3.47 MPa;

3)在荷载作用下,位移最大部位位于减压锥的环形区域,最大位移为4.87mm;

4)钢筋的最大应力为153 MPa。

通过上述计算结果可知,整个结构的应力及位移均在合理范围,结论:满足规范规定的要求,可认为整个结构可以正常工作。

注:整个模型计算耗时为15-18小时。

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