柱承式立筒群仓振动台试验与抗震性能研究

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柱承式钢筋混凝土立筒群仓是广泛应用于粮食、能源、建材等行业的通用构筑物,其支承柱刚度远小于上部仓体刚度,在柱与仓体相接处存在着刚度突变,容易引起应力集中而造成地震破坏,有必要对其进行抗震设计研究。柱承式立筒群仓的结构体系构成特殊,动力效应复杂,而现行规范中仅仅以独立单仓的抗震设计结果直接应用于群仓结构,并未对群仓进行抗震设计,给实际工程设计带来了盲目性。因此柱承式立筒群仓的抗震性能和动力响应机理是一个亟待解决的科学问题,对其进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。依托国家自然科学基金面上项目“基于环境激励的钢筋混凝土立筒群仓动力相互作用机理研究”,以柱承式立筒群仓和独立单仓为研究对象,设计制作了缩尺比例为1:25的群仓(3×3组合)和独立单仓有机玻璃模型,采用振动台试验、有限元分析和理论计算相结合的方法,对空仓、半仓、满仓三种贮料状态的不同水准地震作用下柱承式立筒群仓和独立单仓的动力响应和抗震性能进行了研究,主要工作和结论如下:(1)获得了柱承式立筒群仓和独立单仓的动力特性,进行了加速度、位移、应变等动态响应分析。结果表明:1)随贮料质量增加,自振频率都呈减小趋势,三种贮料状态下群仓整体自振频率比独立单仓平均大约11.33%;2)群仓和独立单仓加速度放大系数沿高度呈折线型分布,且群仓加速度响应总体大于独立单仓;群仓中不同单仓加速度响应存在差异,边角仓加速度响应比中心仓大约10%;3)相同工况下,群仓相对位移小于独立单仓;4)群仓中仓体连接处的支承柱应变小于其对称位置的支承柱应变,相同工况下群仓中单仓的支承柱柱底应变大于独立单仓,而现行规范中以独立单仓抗震设计的结果直接用于群仓是不合理的,也是偏于不安全的,建议根据群仓中各单仓所处位置进行支承柱的抗震设计。(2)建立了柱承式立筒群仓和独立单仓的有限元模型,进行了地震作用不同工况下的有限元数值计算。结果表明:1)自振频率有限元结果与试验结果较为接近,有限元模型是合理的;2)群仓加速度、位移响应有限元结果与试验结果吻合较好;3)群仓支承柱应变有限元结果与试验结果分布规律相同,但数值有一定偏差;4)动态侧压力有限元结果沿仓壁高度分布规律与试验结果相同,但有限元结果大于试验结果,采用D-P模型来模拟贮料具有局限性。(3)获得了地震作用下群仓和独立单仓贮料动态侧压力沿仓壁高度的分布规律和超压系数,探讨了贮料动态侧压力的计算问题。结果表明:1)群仓的边角仓、边中仓、中心仓和独立单仓的贮料超压系数最大值都发生在仓体顶部1/3范围;2)其值分别为3.4、3.4、3.0、2.5,均大于规范规定的综合系数2.0,规范取值偏于不安全,以独立单仓简单替代群仓中单仓进行仓壁结构强度设计的做法是不合理的,建议考虑地震作用引起的贮料超压以及群仓中不同位置单仓差异性影响,研究成果填补了筒仓贮料水平侧压力计算中未考虑地震作用因素的空白。(4)建立了柱承式立筒群仓和独立单仓的动力计算模型,基于振型分解反应谱法和振动台试验进行了不同工况下群仓和独立单仓基底剪力的计算与分析。结果表明:1)模型的一阶自振频率计算值与试验结果和有限元结果较为接近,计算模型是合理的;2)柱承式立筒群仓地震作用下各单仓的基底剪力是平均分配的,与贮料状态、地震波类型以及台面加速度峰值等因素无关;3)柱承式立筒群仓(3×3组合)中单仓与独立单仓在三种贮料状态下的基底剪力比值系数分别为1.5、1.3、1.2。(5)提出了基于独立单仓并考虑基底剪力比值系数的柱承式立筒群仓结构地震作用简化计算方法,为柱承式立筒群仓工程抗震设计提供了参考依据。
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