地基-大型浅圆仓-贮料在地震作用下相互作用分析
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【摘要】 大型浅圆仓作为一种新仓型，以其容量大、占地面积小等优点得到大量应用。但是我国对筒仓结构的抗震研究主要集中在深仓（高径比大于1.5的筒仓），对于大型浅圆仓结构在地震作用下的动力特性未作针对性研究。本文以大型浅圆仓结构为例，考虑到地震的作用对不同的地基-贮料-浅圆仓的影响完全不同，因此对其的相互作用进行地震反应分析，探讨这类结构在地震作用下的一般规律，为这类结构的抗震设计提供理论和试验依据。
大型浅圆仓作为一种新型的现代工程结构，1995年，作为世行贷款建设项目，首次从国外引进后，以其容量大、占地面积小，吨贮造价低、易于实现机械化作业等优点，在我国粮食、煤炭、化工、建材等行业得到了大量应用，并于1998年国储库建设期间出现了一次建设高潮。但是我国对它的抗震性能未作针对性研究，传统的抗震计算理论大多是假定建筑物的地基为刚性，这种假设对于相对柔性和轻型的建筑物建于坚硬的地基土上时，还是基本符合实际情况的，但是对于地基来讲刚性较大或自重较重的建筑物可能会带来较大差异，其地基不能再视为刚性，而应该按弹性地基进行分析，因而传统的抗震理论无法再适用。工程实践表明，地基对圆仓结构的影响是不容忽视的，会对浅圆仓的稳定性和地震反应有重要的影响；同时，不同贮料对仓壁的相互作用对浅圆仓结构的振动和稳定性也有着明显的影响。到目前为止，考虑地基和贮料对浅圆仓的地震反应的研究尚不多见，我国现行的钢筋混凝土筒仓设计规范中的有关浅圆仓的理论都是假定在刚性基础上的，并不能完全适用于浅圆仓这种特殊的空间结构的推广应用。
本文将针对钢筋混凝土大直径浅圆仓的实际工作情况，进行其地震反应分析和试验研究，从土体与上部结构共同工作的理论出发，研究该大直径浅圆仓与地基、贮料在地震作用下的相互作用。
1 刚性及弹性地基上浅圆仓结构的地震反应分析
由于地震作用是一种相当复杂的动力作用，我们并不能完全的对结构进行地震作用时的分析，因此只能在大型地震模拟振动台试验系统上进行地震的模拟，尽量做到与地震相似的动力效果。本文通过对文献[2]的试验模型和实验数据的分析，并且对相关资料也进行了大量的查阅，得出了结论：在弹性基础上的浅圆仓的地震动力反应远大于刚性基础上的浅圆仓的地震动力反应。
试验模型外观如图1：
试验模型为一个有机玻璃制成的筒仓，弹性地基用七层弹性模量约为1MPa的海绵垫模拟10-15米的地基土，而刚性地基则用水泥地面模拟，基本上可以模拟出圆仓的实际受力的情况。
模型具体尺寸以及有限单元的划分如图2：
对模型的地基施加荷载，当地基的简谐水平振动频率为8，12，16，20Hz时，通过实验得出的数据并且通过相关的计算，得出了筒仓的动力响应。见表3：
表3 地基水平震动时筒仓仓壁及简化的集中质量的振动响应（位移mm）
通过表中所列的数据可以看出，在刚性基础上，筒仓的一阶自振频率平均在10Hz以上，而数据比较全面的筒壁529节点的振幅在15mm以下；而在弹性基础上，筒仓的一阶自振频率平均在5.5Hz左右，而筒壁529节点的振幅最高达到了82mm。由此可以看出，弹性基础上的圆仓的动力反映要远大于刚性基础上的圆仓的动力反映。
2 不同贮料下浅圆仓结构的地震反应分析
要研究分析在地震作用下不用贮料对圆仓的影响问题，实际就是要研究不同贮料对圆仓的作用力问题，也就是要分析圆仓的主要荷载-侧压力问题。由于贮料的不同，侧压力的确定方法也是不同的。浅圆仓被引入中国后，首先是作为粮仓最早使用的。后来随着工业的发展，浅仓又大量的用来贮藏水泥、煤炭等工业用料。本文主要是侧重这两类最常见的贮料进行分析。
对于谷物类的贮料来说，只需要考虑其对浅仓的水平作用力的影响，因此这类贮料的研究比较简单。目前在处理粮食这类散粒体，通常的计算方案就是把这类散粒体作为连续弹性体来进行分析，这在我国目前的新《钢筋混凝土筒仓设计规范》附录C中已经有了明确的规定，并且给出了浅圆仓压力的计算公式。其实质是在著名的朗肯(Rankine)主动土压力理论基础上折算改进而成的。
附录C规定，当仓壁顶面以上的贮料为锥体，破裂面通过仓的中线(附图C 0.1)时，贮料作用于浅圆仓仓壁上的侧压力可按下式计算：
与谷物类贮料不同，煤炭和水泥这类的贮料在研究其对浅仓的侧压力上就比较麻烦，因为这类贮料对仓壁的温度作用要比谷物类高很多，特别说在储藏高温水泥熟料时，所以在研究这类仓壁应力时必须考虑温度和贮料水平压力的共同作用。但是现行的《钢筋混凝土筒仓设计规范》对此缺乏详细的规定。与之相关的研究在国内也不多见，通过相关资料的查阅和对文献[4]中的有限元模型的再次模拟分析，发现温度对仓壁的应力的影响是不容忽视的。通过文献[4]中的实验数据计算得出的仓壁环向应力图和仓壁竖向应力图如下：
由以上4图可以清楚地看出温度对仓壁的影响是不容忽视的。由于目前这类的研究还在继续中，尚不能得出统一的完善的结论，这里也不能具体的提出计算方案。只能确定温度和水平力的共同作用会对浅仓壁产生较单独水平力作用更大的侧压力。
在地震作用时，贮料颗粒之间以及颗粒和仓壁之间的摩擦和相对运动会消耗一部分能量，使贮料对仓壁的侧向荷载会有所减小，起到一定得减震作用。但是，损失的能量是受地震烈度、贮仓形式及贮料物理特性等诸多因素影响的。目前，还不能得出各因素的定量分析结果。
通过对这两类常见贮料的分析，我们可以确定贮藏水泥这类工业贮料的浅仓的地震反映会明显高于谷物类贮料的浅仓。
3 结论
本文在考虑地基-浅圆仓-贮料的相互作用，通过实验和有限元模型的建模，对浅圆仓在不同地基上以及贮藏不同贮料时的地震反应进行了分析，经过认真的对比，可得出结论：
（1）弹性基础上的浅圆仓的地震反应要远大于刚性基础上的浅圆仓的动地震反映；
（2）贮藏水泥这类工业贮料的浅圆仓的地震反应会明显高于谷物类贮料的浅圆仓；
（3）颗粒状贮料对浅圆仓具有减震的作用。
以上三点，应该会对浅圆仓的抗震设计有现实的指导意义，在场地土相对较软弱的三、四类地基土条件下，考虑地基-浅圆仓的相互作用与认为地基是刚性的地震反应有明显的差别，特别是在仓是用来贮藏熟水泥这类材料时，圆仓的设计更要考虑温度的作用。对于浅圆仓，在进行抗震设计时应当考虑地基-浅圆仓-贮料相互作用的影响。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB50077-2003）
[2] 尹冠生,黄义. 散粒体-贮仓结构-地基的动力特性分析[J].应用力学学报,2002,19(4):92-97
[3] 曹彩芹,黄义,刘彤,王安强. 大型筒仓与地基动力相互作用研究[J].空间结构,2004,10(4):57-59
[4] 胡志义,孙清,张陵,赵伟,高连松. 水泥熟料筒仓在温度和水平压力共同作用下仓壁内力的研究[J].工业建筑,2005,35(增刊):205-208
[5] 李兴照,王录民,黄茂松. 大直径粮食浅圆仓仓壁压力有限元分析及验证[J].特种结构,2005,22(1):97-99
[6] 李淑敏. 筒仓抗震验算简化方法初探[J].山西建筑,2000,26(5):17-18
收稿日期：2008-4-2
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