落地式粮食钢板筒仓结构有限元分析

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1、落地式粮食钢板筒仓结构有限元分析1绪论1.1筒仓结构的发展及应用筒仓结构是用于贮存散状物料的薄壁筒状结构，被大量应用于农业与工业领域中。与以往的物料存储方法相比，利用筒仓结构能够缩短物料的装卸流程，同时降低了运输以及维护的成本。随着工业的快速发展以及农业产量的逐年增高，筒仓结构以其占地面积少、存储量大、操作简便等诸多优势备受亲睐。目前，我国工程中应用最多的筒仓结构主要为混凝土筒仓和钢板筒仓。混凝土筒仓结构发展较早，且更为成熟，1985年我国发布了《钢筋混凝土筒仓设计规范》[1]，使得混凝土筒仓结构的设计具有可靠依据。钢板仓在所有筒仓类型中建造费用最

2、低，除了筒仓本身的造价低，基础部分造价也低，它只有钢筋混凝土筒仓造价的1/2，就是与现行的砖混结构仓相比，也节约20%的投资。钢板仓的钢材用量与其砼筒仓钢筋用量几乎相当，水泥用量节省约2/3，随着钢材的价格进一步降低，建造费用也会逐渐下降。钢筒仓的发展已有100多年的历史，但早期主要应用于国外，近年来，随着我国钢铁产业的快速发展，钢铁产量大幅升高，钢筒仓在国内的应用范围逐渐扩大，其发展主要分为四个阶段：铆接式筒仓、焊接式筒仓、装配式筒仓以及螺旋咬边式筒仓[2-3]。其中铆接式钢板仓的仓壁采用铆接连接，施工费时费力，现已被淘汰；焊接式钢板仓的仓壁通过

3、焊接连接成整体，结构气密型很好，由于该类型筒仓仓壁较厚，需现场焊接，建造成本较高；装配式钢板的仓壁采用波纹薄钢板，通过装配的方式现场组装，结构具有自重轻、成本低、自动化程度高、便于维护与更换等优点，应用非常广泛；利浦式钢板仓利用了钢材抗拉强度高的特点，在仓壁外咬成一条高于仓壁厚度的螺旋凸条，并且内部附加钢筋，使得仓体强度大大提高，结构安全可靠，目前已在国内被广泛的应用。钢筒仓种类较多，可以按照结构形式分为两大类：一是落地式钢筒仓，二是高架式钢筒仓，如图1所示。典型的高架式钢筒仓由锥形漏斗、漏斗上端筒仓以及支承裙筒组成，裙筒既可以支承于地面，也可以支

4、承于支柱上。落地式钢筒仓将圆柱筒置于环形桩基上，筒仓的压力均匀传递给环形地基，不会出现应力集中的现象，但水平荷载或者温度以及边界变化会导致其壳体出现径向变形，产生弯曲应力。落地式筒仓是典型的均匀支承，本文主要以落地式钢筒仓为对象，进行有限元分析研究。........1.2肋型粮食钢筒仓研究背景及意义粮食是国家的根本，我国是人口大国，每年需要约5亿吨粮食，我国粮油存储量很大，每年的粮食存储量仅国家和省级就有1.85亿吨[4]，尤其在九五、十五期间，国家投放343亿国债建造了储量5000万吨的粮仓，为我国粮食的储备及装备水平起到非常重要的作用[5]。国

5、内用于粮食存储的仓型很多，钢筒仓由于本身具有重量小、气密性好、建造时间短以及成本低等优势，占据主导地位。但钢筒仓作为钢薄壁结构，不可避免的存在稳定性问题，近年来，由于钢筒仓结构没有可靠的设计准则，成为了破坏率很高的结构形式[6]。筒仓的破坏不仅限于结构的破坏，还会造成污染影响、人员伤亡、供给中断等一系列损失。2006年4月1日，山东某淀粉厂一个储粮钢筒仓发生倒塌，造成数人伤亡；2011年2月7日，临河国家粮食储备库内一小麦粮仓突然坍塌，大量小麦涌出，将相邻企业20多米围墙挤垮；在国外，类似的钢筒仓坍塌事故同样不胜枚举，据初步统计，仅北美地区每年筒仓

6、结构破坏事故就有1000多起。为了避免事故的发生，国内外学者针对钢筒仓的结构形式以及受力性能进行了大量的理论分析与试验研究。经过对钢筒仓事故分析研究，明确了其破坏机理。从力学特点来看，筒仓结构的仓壁不仅承受自重荷载，还承受着粮食对其产生的荷载。由于粮食多为散粒状，与土的物理力学性能相似，对仓壁产生侧向压力的同时与接触面之间还有存在竖向摩擦力。从结构特点分析可知，钢筒仓结构是传统的圆柱形薄壳结构，破坏主要原因包括：由于筒仓内粮食堆积或者卸料不均匀，导致结构承受较大偏心荷载，从而发生结构倾覆破坏；卸料时，散粒流动对仓壁产生较大竖向摩擦力和水平压力[7-

7、10]，破坏了结构静力平衡状态。..........2有限元分析法2.1引言很多的工程问题实际上是力学问题物理情况的数学模型。工程问题的研究转变为对具有相关初值条件和边界条件的微分方程组的研究，往往通过控制体的基本原理推导出微分方程组，根据给定的条件得到精确解。但实际工程中由于各类条件复杂，求得精确解的可能性较小。为此，常用的方法是将实际工程问题进行数学模型的简化，然后对其进行求解，其中有限元分析法是最为常用的方法之一。有限元法又称为有限单元法，该方法具有边界条件引入方法简单、适用于复杂结构形式、求解可靠以及适用于计算机编程与操作等特点，在工程设计

8、及分析方面得到广泛的应用。本章节主要从有限元法的发展状况、基本原理、存在优势、分析流程等方面对其进行了系统介绍，同时对薄壳