大型工业钢板筒仓的优化设计分析研究

摘要

钢板筒仓以其优越的结构性能广泛应用于粮食、煤炭、水泥、电力、化工等各行业。但由于相关理论的研究滞后于实际工程的建设，不可否认的是关于钢板筒仓的破坏事故也越来越多。其理论研究的关键和难点主要表现在储料荷载的正确计算、缺陷对钢板筒仓结构的稳定性影响以及地震中储料颗粒间的摩擦对地震作用的减弱等方面。同时，钢板筒仓常年暴露在大气中，受到太阳辐射而产生非均匀的温度效应，对结构产生不利影响。本文即结合实际工程，采用数值模拟分别对钢板筒仓由于卸料引起的压力增大效应、太阳辐射对结构性能的影响以及其结构形式进行了分析和研究，最后，对一大型水泥钢板仓进行了结构设计，并用ANSYS对其进行了稳定性分析。
　　通过和国外规范的对比，发现我国规范深仓采用 Janssen理论，浅仓采用Rankine理论，而国外均采用 Janssen理论，且我国水平侧压力修正系数取值偏大，竖向摩擦力修正系数偏小，未考虑储料偏心的影响。针对大型落地式钢板筒仓，采用颗粒流分析程序PFC2D对其进行了装料和卸料过程的数值模拟，并结合国外规范给出了笔者对于这两个修正系数的建议取值。
　　在分析太阳辐射时，考虑了辐射阴影的影响，并提出了阴影的计算方法，然后通过ANSYS，分四种工况分析了各自的非均匀温度场分布，进而得到了考虑太阳辐射阴影引起的非均匀温度场对结构性能的影响，发现考虑太阳辐射阴影，单面对流换热工况对结构的影响最大。
　　将通常钢板筒仓结构的纵向柱和环梁尺寸加大，并采取合理的布置方式，提出以梁柱为受力主体的筒仓梁柱结构形式，通过36个不同高径比和直径MIDAS模型的对比分析，得到一些关于钢板筒仓结构设计时，结构布置的合理化建议，包括结构形式的选择、纵向立柱和环梁的变截面布置方案以及需要加强的区域。对于更大直径的钢板筒仓（R>30m），可考虑采用梁柱结构形式。
　　最后对一个23m直径的水泥钢板筒仓进行了结构设计，包括结构方案到构件布置、荷载的确定、模型的建立、静动力分析以及对结果的评价，在满足规范要求下，结构安全性较好。在此基础上，用ANSYS对其进行了特征值屈曲分析和考虑几何材料双重非线性的分析，分析时按空仓和实仓进行，结果表明风荷载对空仓的稳定性影响较大，水平内压对实仓稳定的有利作用不可小觑，钢板筒仓结构具有相当敏感的非线性特性，表现出“象脚”式破坏。

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第一章 绪论

1.1概述

1.2国内外研究现状

1.3本课题研究的背景及意义

1.4本文的主要工作

第二章 钢板筒仓储料荷载研究

2.1储料荷载规范比较分析

2.2储料荷载的离散元数值模拟

2.3 本章小结

第三章 钢板筒仓太阳辐射非均匀温度作用与效应研究

3.1概述

3.2太阳辐射下钢板筒仓的阴影算法

3.3太阳辐射下钢板筒仓的温度场数值模拟

3.4本章小结

第四章 钢板筒仓结构形式优化分析

4.1概述

4.2研究目的和方法

4.3结构形式的参数化分析

4.4本章小结

第五章 23m直径水泥钢板筒仓的结构性能分析

5.1工程概况

5.2结构方案

5.3结构的分析计算

5.4钢板筒仓的稳定性分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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致谢