张铭
山东工业职业学院 山东省淄博市256414
摘要: 随着我国经济的迅速发展、科技的进步，仓体结构由于其结构简单、使用方便、占地面积小等特点得到了越来越广泛的应用。仓体在煤炭、粮食、货物等的储存和转运等方面起着重要的作用。本文通过ABAQUS有限元分析软件对钢筋混凝土圆形封闭仓体进行模态分析，得出了其在不同荷载工况下的自振频率、周期和主要的振型，为研究仓体结构的基础受力性能提供数据参考。
关键词：有限元分析；仓体；模态分析
一、引言
筒仓结构被广泛应用于矿山、石油化工、食品、建材等领域用来储存颗粒状的原料及燃料，如矿石、煤、砂砾和粮食等。例如选煤厂中，钢筋混凝土圆形封闭煤仓在煤炭的储存、传送、生产协调等方面起着非常重要的作用。因此，钢筋混凝土仓体的抗震性能是近些年来仓体研究的重要方向。现有研究虽然取得了一定的成果，但是研究并不成熟和完善，还需要进一步深入的探索，本文通过有限元实体建模对仓体结构进行模态分析，得出其不同工况作用下的基本受力性能数据，为后续的抗震研究做基础。
二、模型工况
2.1 模型选取
本文以某选煤厂钢筋混凝土圆形封闭煤仓为研究背景，煤仓直径15.5m，总高34.7m。其中仓壁高30.7m，仓壁和筒壁的壁厚270mm，采用C40混凝土，HPB235和HRB335级钢筋。基础为钢筋混凝土独立基础，承台宽5m，厚1m，埋置深度为3.5m。煤仓所在地抗震设防烈度为8度，设计基本加速度0.1g，场地类别二类。
煤仓的筒壁及其他横向和竖向的构件也均选用C40混凝土，密度2500 kg/m3，弹性模量E=32500N/mm2，抗压强度19.1N/mm2，泊松比0.167，塑性变形参数采用ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型。HPB235级钢筋，密度7800 kg/m3，弹性模量E=200000N/mm2，泊松比0.3，钢筋抗拉强度300N/mm2，塑性应变210N/mm2。经计算得煤压力沿仓壁高度的方向线性分布，顶端煤压力为0Pa，底端煤压力为Ph=40.47KPa，漏斗的法向压力Pn=40.47KPa。
2.2 有限元建模
ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件，它可以模拟非常复杂而庞大的结构模型，尤其善于解决实际工程模型的高度非线性问题。在ABAQUS中，混凝土的损伤模型具有良好的模拟混凝土在循环荷载下的破坏情况，适用于复杂结构的动力弹塑性分析。所以本文混凝土构件采用10586个Solid实体C3D8R单元进行模拟，钢筋采用8754个Beam梁桁架T3D2R单元模拟。然后用EMBED技术进行两者的自由度耦合，其他构件之间采用TIE命令连接。混凝土的弹性阶段材料属性通过弹性模量、弹性极限应力进行定义，塑性阶段材料的属性则通过混凝土规范附录C来定义。如图2-1,2-2所示：
图2-1 筒壁储料荷载 图 2-2 漏斗储料荷载
三、模态分析
筒仓的动力特性包括其自振周期、频率和各阶振型等。煤仓的动力特性不受外荷载的影响，只与煤仓本身的自有属性相关。
通过有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土圆形封闭煤仓的有限元模型进行模态分析，以得到其自振频率、周期和振型的数据。振型分解反应谱法进行地震计算分析时需要足够的振型数。对于复杂的结构，振型数的选取要遵循规范要求，即所取振型的质量参与系数要达到总质量的90%。本文选取前六阶振型即可满足规范要求。从ABAQUS中提取由模态分析所得数据制成表格，如表3-1所示，可以更加清晰的了解钢筋混凝土圆形封闭煤仓在空仓和满仓工况下的自振周期的变化情况以及内部散料对煤仓动力性能的影响。
表3-1煤仓的自振周期与频率表
由表3-1综合分析可得：
1、本文钢筋混凝土圆形封闭煤仓总高为30.7m，大约10层楼高。按照高层规范规定，结构的周期的估算公式为0.022N—0.044N，即为0.22—0.44 S，表中空仓第一自振周期为0.223S，满仓第一自振周期为0.339S，基本满足规范规定的要求，所以ABAQUS 软件的分析结果还是可靠的。
2、空仓和满仓前两阶振型的质量参与率基本达到90%，特别是第一振型占有很大的比例，所以煤仓的动力特性以第一振型为主。
3、煤仓在不同工况作用下模态分析的结果对比可知：满仓时煤仓的自振频率要比空仓小，这是因为贮料部分重量会折算到筒壁的自重中，使煤仓的刚度变大。由于刚度与频率成反比，所以满仓工况时的频率偏低。因此，贮料对煤仓整体的质量分布、动力性能有很大影响，地震作用时要考虑贮料对结构的作用。
4、煤仓前两阶振型主要以Z方向的水平振动和X方向的水平振动为主。这是由于筒壁的洞口和梁柱支承处有刚度突变，造成结构水平承载力差。前两阶振型周期相差不大，所以其仓壁在两个水平方向的刚度相差不大。六阶振型以后才出现扭转振动，说明煤仓的抗扭性能比较强。
结束语
本章首先介绍了钢筋混凝土圆形封闭煤仓结构的工程概况和材料的参数的确定。然后对钢筋混凝土圆形封闭煤仓有限元模型进行模态分析，得到了其自振周期、频率和振型如表3-1。通过对比分析总结得出了钢筋混凝土圆形封闭煤仓不同工况作用下的动力特性。
参考文献
[1]张伟.某高层建筑的有限元模型及模态分析.科技经济导刊 2020，28（30）.
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