浅谈群仓地震反应的数值模拟

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1、河南工业大学硕士学位论文群仓地震反应的数值模拟姓名：高秀坤申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：王录民20070501摘要随着我国经济的快速发展和生命线工程的广泛延伸，在地震多发地区建造立筒群仓已经势在必行，筒仓抗震问题将越来越受到工程界和学术界的重视，然而其抗震性能的研究却滞后。从现有的文献来看，一般建筑物的抗震问题已经不是一个新课题，国内外学者提出了各自的分析方法，已经形成了一定的理论体系，但群仓与单仓的动力特性差异、尤其是贮料与仓擘的耦合作用机理尚不清楚。本文所研究的内容与一般建筑物抗震问题有明显的区别，这种差别主要体现在以下几个方面：第一，本课题所考虑的不是单个建筑物，而是由

2、两排单仓所组成的群仓；第二，考虑地震作用下仓内贮料与仓壁的动态耦合作用以及仓与仓之间的相互影响。本文首先应用相似理论推导贮料和群仓结构的模型相似律，为模型的数值模拟提供基本物理和几何参数；然后应用离散元理论和颗粒流软件对群仓模型进行数值模拟，通过对不同时步(共100000时步)贮料的地震反应对比分析，得到贮料在地震作用下的流态、贮料与仓壁的动态耦合作用力、模型群仓的位移、速度分布规律；最后应用有限元动力分析软件，得到地震作用下群仓不同部位测点的水平位移和加速度时程曲线、群仓的自振频率和振型等。在此基础上，本文探讨了地震作用下颗粒体与筒仓、筒仓与筒仓之间的相互作用模式，得到群仓有别于单仓的

3、一些动力特性，总结了一些有用的结论：(1)通过对不同时间的速度场和位移场分布的对比分析，发现地震激励下贮料中存在一速度混沌区，并且这一混沌区随时间而上下移动，当运动到漏斗后突然转到仓顶，进入下一轮的移动；对应着速度混沌区的高度，仓壁也对应出现了最大的动态压力；(2)简仓内的贮料作为一种散体，在地震作用下它的运动和仓体的运动不同步，存在相位差，因此贮料具有较强的耗能作用，但耗能效率随时间变化很大；当输入的地震波频率与结构自振基频相近时，贮料自身的运动会加剧，彼此间碰撞激烈。在单向地震激励下，群仓中贮料的位移、速度反应整体上呈对称分布，在各个单仓中开始阶段贮料速度和位移关于仓体中心呈对称分布

4、，虽时间不断在圆周方向重新分布，分布的趋势是在远离约束的贮料速度和位移反应最大；群仓在窄仓的情况F结构位移大于相同地震激励情况F的满仓结构反应，反映出贮料对群仓结构的阻尼作用比较明显；(3)装有旷料后，仓擘的位移存人部分时间内变化率较小，仓体上=部贮料相对窄仓宋说迟缓了仓体的何移：结构加速度变化频率和振幅较空仓变化率平缓许多，反映了贮料与仓壁相乜动念作用的结果，即仓体的加速度变化‘I妒’料层的加速度变化周期不川导致r仓体，曼化由空仓的有觇律向不觇律转化，但总体的加速度趋势仍是lF弦曲线；(4)对比群仓和单仓的模念分析表明，高频徼励(20HZ)F，群仓的第一二三血振型以平动为主，四六七八振

5、型以扭转为主，由f存在贮料的影响，低阶振型的质量参与系数都很低，从备振璎的参与贡献率分析，群仓以孚动为主；而单仓低阶振型的质量参与系数很高；(5)当群仓为宅仓时，平动振动的第一自振周期为0．0067，当装料为半满仓时第一乎动周期为o．0108，满仓时为0．0154，对比不同装料程度的自振周期表明，随群仓中装料的增多，群仓的自振周期逐渐增人；单仓为空仓时的第一自振周期为0．0164，装粮为半满仓时的第一自振周期为0．0233，装粮为满仓时自振频率为0．0313，对比单仓不同装粮高度的第一自振周期表明，单仓中储料越多，自振周期越大。(6)影响群仓自振特性的因素主要有装粮高度、洞口的方向以及开

6、洞率、径高比等等，本文主要考虑了装粮高度对群仓自振频率的影响。同时由于贮料在振动过程中只提供质量而不提供刚度，相同条件下的满仓与窀仓相比，满仓情况下的自振周期较大，而且随着贮料的增加，其自振频率降低越明显；(7)相同储料高度的单仓与群仓相比，单仓结构以弯曲振型为主，群仓以剪切振型为主，群仓的自振周期明显要小于单仓，这说明筒仓组合数的增加明显地提高了结构的刚度，显著降低了群仓结构的自振周期，地震作用下的振动已经由杆的运动向体的运动转化，在振璎上表现为由弯曲型像剪切型转化；本论文应用颗粒流软件从细观力学角度模拟和分析了群仓中动态压力的分布规律以及散体物料的流动状态，着蘑阐述了地震作用下群仓中

7、贮料与仓壁的动态耦合作用以及群仓与单仓动力特性的差异，本文的研究结论将为群仓的设计提供一定的参考价值。关键词：群仓PFC3D动态侧压力速度响应振型本研究得到国家自然科学基金项目的资助：立筒群仓的振动台模拟试验及抗震性能分析(编号50678061)。本文蔓要进行数值模拟方面的探讨，模拟的结论将由振动台模型试验进行验证，通过本文的数值模拟结论与模型振动台试验结果的对比分析，得到群仓的计算理论和计算方法。IlAbstractWiththe