某钢筒仓加固的有限元数值分析

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摘要: 本文以某水泥厂的落地式圆柱形钢板筒仓为研究对象，利用ANSYS建立CFRP板加固钢筒仓的有限元模型，采用数值分析方法，包括线性应力分析和特征值屈曲分析，对CFRP板加固筒仓的应力和径向位移分布情况以及稳定性进行了系统研究，与未加固筒仓做了比较。研究表明：CFRP板加固钢筒仓可以显著提高筒仓结构的承载力和稳定性能，减小筒仓的径向位移。

关键词：钢筒仓加固数值分析

中图分类号：TU392.4文献标识码： A 文章编号：

钢筒仓的仓壁是典型的圆柱薄壳结构，结构受力性能复杂。在储料产生的竖向摩擦力和法向压力作用下，仓壁很容易发生屈曲破坏，尤其是当法向压力过大时，仓壁底部在竖向摩擦力的作用下可能在局部区域发生屈曲，发生“象腿”破坏。为了防止筒仓发生“象腿”破坏，传统的筒仓加固方法是在仓壁低端设置加劲环梁或焊接钢板，这些方法虽然在一定程度上改善了筒仓的受力状况，但同时又给结构带来一些新的问题，如使焊接部位组织性能劣化、材质变脆，产生残余应力等。针对这些问题，本文提出一种新的加固方法，通过粘贴碳纤维增强复合材料（简称CFRP）来加固钢筒仓，即将 CFRP板粘贴到仓壁表面上，使一部分作用荷载通过胶层传递到 CFRP板材上，降低了结构关键部位的应力和变形，从而提高钢筒仓的稳定性和强度。本文以某水泥厂的落地式圆柱形钢板筒仓为例利用大型有限元程序ANSYS建立加固前和CFRP板粘贴加固后的钢筒仓模型，采用数值分析的方法，研究CFRP板加固前后钢筒仓的应力、变形分布情况以及稳定性能，希望能够为该类筒仓的加固设计提供一定的理论参考。

1 工程概况

该筒仓几何尺寸如下：直径D=10m，仓壁高H=20m，厚度t=10mm。仓壁为圆筒状，由钢板焊接而成，在仓壁外部高12m，14m，16m，18m，20m处分别设有槽钢加劲环梁，加劲环梁与仓壁焊接，槽钢型号尺寸为[16b。仓壁支承在混凝土地板上，其支承方式可以认为是均匀支承。

2 有限元模型的建立

2.1 单元选取

本文采用自底向上的建模方法，模型共分

两种：未加固筒仓和在底部粘贴宽度为2.5m，

厚度为1.5mm的筒仓（如图1）。选用shell181

单元模拟CFRP和仓壁，仓壁上部的环向槽钢加

劲肋采用beam188单元。

2.2 材料参数定义

筒仓仓壁和角钢选用Q235-B，其弹性模量=206Gpa，泊松比为0.3,密度

为 7850，抗拉、抗压和抗弯强度为。筒仓的储料为水泥，其重力密度为，内摩擦角为，摩擦系数为0.3。CFRP板材料参数为：；；；；。

2.3 储料荷载计算

储料作用在仓壁上的力主要有两种：一种是储料作用在仓壁的水平压力，一种是作用在仓壁上的竖向摩擦力，其计算公式详《粮食钢板筒仓设计规范》。

2.4边界条件

本文只考虑作用在仓壁上的竖向摩擦力和法向应力，按照《筒仓规范》中起控制作用的荷载组合方式施加筒仓模型上。根据筒仓的实际情况，筒仓为上下端铰接，筒仓底部约束三个方向位移自由度，筒仓顶部约束环向和径向位移的自由度。

3 线性应力分析

在实际工程工程结构中，最常用的结构分析方法是结构的线性静力分析。线性静力分析计算是在结构在不变的静荷载作用下的受力分析。它不考虑惯性和阻尼影响。结构的线性静力分析应用非常非常广泛，是其他各种分析的基础。静力分析的结构包括应力、应变、位移和力等。

首先考察加固前的筒仓在竖向摩擦力和水平压力作用下的应力分布和径向位移。图3-9给出了加固前筒仓在竖向摩擦力和法向压力作用下的Mises应力云图，从图中可以看出，在仓壁上部（距离基础16～20m）处应力较小，变化不明显，仓壁中部（距离基础4～16m应力变化均匀，在距离基础约0.5m处，应力发生突变，Mises等效应力达到最大，这是因为筒仓底部的径向位移受到约束，筒仓底部处的仓壁不再垂直于地面，法向压力产生了竖向应力分量与摩擦力产生的应力分量方向相反，使得在这个范围内的仓壁上的竖向的应力变为拉应力。

图2给出了加固前筒仓的最大Mises等效应力的最大值为158MPa，材料还未达到屈服强度，整个结构还在线弹性范围内工作。图3给出了加固前筒仓的径向位移云图，从图中可以看出，在距离基础4～12m处仓的径向位移变化比较均匀，在设置加劲环梁处，径向位移发生突变，在距离基础大约0.5m处，径向位移达到最大值，这与仓壁上最大Mises等效应力出现位置一致，在这个位置位移和应力同时达到最大值，容易引起结构刚度的损失而迅速降低屈曲强度，发生“象腿”破坏。

图4给出了CFRP板粘贴加固后筒仓的线性应力云图，从图中可以看出，距离基础4～12m处的仓壁的应力变比较均匀，在仓壁上部的应力变化不明显，Mises等效应力在两处较大：一处是在筒仓底部附近；另一处是在粘贴CFRP板的仓壁与未粘贴CFRP板的仓壁的交界处。与加固前相比，粘贴FRP片材后的筒仓整体的Mises等效应力有了一定程度的下降，筒仓的最大Mises等效应力由加固前的158MPa下降到加固后的129MPa。仓壁表面粘贴FRP片材后，，使一部分荷载通过胶层传递到CFRP板上，应力发生重分布，降低了仓壁的应力水平。

图5给出了CFRP板粘贴加固后筒仓的径向位移云图，与加固前相比，筒仓的径向位移有了一定程度的减少，尤其是在CFRP板的粘贴部位。筒仓最大径向位移为2.8mm，出现在距离基础约0.5 m处，比加固前下降了约15%。CFRP板与仓壁粘贴成整体，协调变形，共同工作，在一定程度上约束了筒仓径向变形。

从以上分析可知，在筒仓底部粘贴碳纤维后，降低了仓壁在储料荷载作用下的应力水平，明显提高筒仓的承载力，并且有效约束了筒仓的径向变形。

4 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析属于结构弹性稳定分析，用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，其目的就是求解结构的临界荷载值。ANSYS特征值屈曲分析中，计算结果得到的是屈曲荷载系数和屈曲模态，屈曲荷载系数即屈曲荷载特征值，屈曲特征值与外加荷载相乘，结果便是结构的临界荷载值，屈曲模态即与屈曲特征值相对应的结构的屈曲形状。

图6为加固前的筒仓在竖向摩擦力和法向压力作用下的一阶屈曲模态，屈曲变形主要发生在0～4m的范围内，变形最大值出现在距基础约0.5m，屈曲荷载特征值为3.99。

图7为CFRP板粘贴加固筒仓在竖向摩擦力和法向压力作用下的一阶屈曲模态，屈曲荷载特征值为4.37，与加固前相比，屈曲模态变化不大，特征值屈曲荷载提高了9.5%。可见，在仓壁底部粘贴CFRP板后，能够明显提高筒仓结构的稳定性。

5 结论

本文通过线性应力分析，特征值屈曲分析等数值分析方法，对某水泥厂的落地式圆柱形钢板筒仓进行了CFRP板粘贴加固研究，分析了CFRP板加固前后钢筒仓的应力、变形分布情况以及稳定性能得到以下主要结论：

利用CFRP板加固钢筒仓可以明显降低筒仓的最大应力及减小筒仓的径向位移，从而提高结构的承载力。

通过特征值屈曲分析，CFRP板加固钢筒仓特征值屈曲荷载比加固前提高了9.5%，可见，采用CFRP板加固可以明显提高结构的整体稳定性。

以上结论希望能够为该类钢筒仓的加固设计提供一定的理论参考。

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作者简介：邢明党（1981.3），男。湖北武汉人，毕业于武汉理工大学，硕士研究生，工程师，从事建筑结构设计工作。

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