基于時程分析法的堆煤與落煤筒相互作用體系地震響應分析

吳春野

(中煤科工集團 國際工程有限公司,北京 100013)

0 引言

在實際工況中,落煤筒(見圖1)并非作為一個單獨的筒體結構存在,在其內、外側均存有大量堆煤,且堆煤的總質量不斷變化,堆煤最多時,堆煤總質量為落煤筒結構總質量的15倍。通過對堆煤與落煤筒結構相互作用體系動力特性的研究可知:落煤筒結構的內、外堆煤量對結構動力特性影響是較為明顯的。但在現行相關的抗震設計規范中,并沒有對該項內容做出相關規定,僅有部分學者針對與落煤筒類似的筒倉結構貯料動壓力進行了相關研究。但是,落煤筒和筒倉在使用工況和結構形式上存在很大區別,如完全以筒倉結構在地震荷載作用下的地震響應規律作為落煤筒結構抗震設計的參照,則將存在很大的誤差[1-4]。

圖1 落煤筒結構

因此,本文以陜西益東煤礦落煤筒結構為研究對象,利用ANSYS軟件,通過對單獨落煤筒結構和儲煤-卸煤過程中11種典型工況下煤堆與落煤筒結構相互作用有限元模型輸入調整后的ELCENTRO 波進行時程分析計算,進一步研究落煤筒結構在地震荷載作用下的地震響應規律,以及在地震荷載作用下煤堆對落煤筒結構的影響規律,希望對該落煤筒結構的抗震設計起到指導作用。

1 模型建立及地震波選取

1.1 工程背景及計算工況

陜西益東煤礦落煤筒結構外直徑為7.7 m,內直徑為7.0 m,筒壁厚度為0.35 m,高度為39.0 m,落煤口高為2.0 m,落煤口水平夾角為30°。落煤口豎向間距為4.0 m,水平向夾角為90°(每層落煤口互為90°布置),落煤口距地面距離4.0 m,落煤口距頂面距離3.0 m。內側堆煤高度為36.0 m,外側堆煤高度為34.0 m,堆煤安息角為45°,堆煤半徑為37.85 m,滿堆煤狀態下,外側堆煤質量約為47 000 t[5]。

落煤筒采用C30 混凝土澆筑,配筋率為1.0%?；炷翉椥阅Ａ繛?.45×1010Pa,泊松比為0.2,容重為24.5 k N/m3;鋼筋彈模為2.1×1011Pa,泊松比為0.3,容重為78.0 k N/m3;原煤容重為9.8 k N/m3,內摩擦角為36°。結合實際使用工況,計算模型的工況選擇如表1所示[6-7]。

表1 計算工況匯總

1.2 有限元模型建立

鋼筋混凝土選用Solid65 單元,煤堆選用Solid45 單元,筒壁與煤堆的接觸面分別選用Targe170單元和Conta173 單元。其中,混凝土筒壁為柔性目標面,而與之接觸的原煤被假定為接觸面,摩擦系數取0.35[8-9]。

混凝土和鋼筋為彈塑性本構模型,堆煤則選用亞塑性本構模型。參考混凝土規范,鋼筋、混凝土塑性變形的本構參數如表2所示。落煤筒底部Ux、Uy、Uz三個方向為全約束固接;內、外煤堆約束豎向Uz自由度,保留水平Ux、Uy向自由度。落煤筒結構的阻尼系數取值為0.05,煤堆取值為0.25[10]。以工況5為例,其計算模型如圖2所示。

圖2 工況5計算模型

表2 混凝土、鋼筋本構參數

1.3 地震波選取

本文選用EL-CENTRO 波,并結合實際使用情況,按照最大加速度為0.10 cm/s2的要求進行調幅,以調幅后的地震波對結構進行地震響應分析,鑒于筒體結構的幾何對稱特性,計算時只輸入加速度值最大的水平方向地震波(即x方向),其中,EL-CENTRO波的最大水平加速度值為341.70 cm/s2,調整后的加速度為98.06 cm/s2,波長截取時間為10 s。

2 落煤筒結構地震響應分析

圖3為堆煤工況1時落煤筒結構的第一層落煤口、第三層落煤口四周邊框底部以及最頂層加速度值最大處的加速度時程曲線。通過對落煤筒結構的加速度、層間位移角和水平應力進行對比可知:隨著結構高度的增加,加速度的最大值也隨之增加;加速度的放大系數由下至上也是一個放大過程,并且從第二層落煤口開始,結構的加速度放大系數均大于1,說明在地震波的作用下,結構對地震波的傳播起放大作用。每層落煤口四周的頂部加速度響應和加速度放大系數明顯大于底部位置的加速度響應和加速度放大系數,主要原因是,落煤口的存在降低了落煤口區域整個結構的水平向剛度。

圖3 堆煤工況1模型的加速度時程曲線

隨著結構高度的增加,層間位移亦隨之逐漸增大,最大的層間位移出現在落煤筒結構的最頂端,最大位移為7.38 cm,層間位移角為1/529,主要是由于落煤口的存在,使得整個結構在豎向上不連續,導致整體剛度相比無洞口的筒壁結構剛度有所降低。因此,在抗震設計時需要考慮適當的安全系數。每層落煤口四周頂部的層間位移和層間位移角變化范圍明顯大于底部位置的層間位移和層間位移角變化范圍。

整個結構在水平方向的應力響應隨著高度的增加而逐漸變小,但每層落煤口四周的地震應力響應最為明顯,落煤口附近也伴隨應力集中現象。水平應力最大值出現在第一層落煤口邊框四周的底部,最大值為2.95 MPa,因此,該區域是應力最薄弱部分,設計時應重點考慮。每層落煤口四周的頂部應力均小于底部位置的應力,主要是由于整個落煤筒結構從下至上對于地震加速度和位移反應均呈放大趨勢,底部環向封閉區域的筒壁對于落煤口區域來說起到了約束嵌固作用。

3 儲煤過程地震響應分析

在儲煤過程中,整個結構體系的總質量不斷增加,工況7模型的儲煤量達到最多,通過對整個儲煤過程中堆煤與落煤筒相互作用體系的加速度、層間位移角、水平應力進行對比可知:隨著內、外側堆煤質量的增加,在相同地震波作用下,落煤筒結構相同位置的加速度響應亦隨之增加;隨著落煤筒高度的增加,結構的加速度響應最大值也隨之增加,加速度的放大系數由下至上逐步增大,但值得注意的是,處于煤堆埋深以下區域的加速度響應增長趨勢遠大于煤堆埋深以上區域的加速度響應增長趨勢,所以,該區域在每層落煤口四周的頂部加速度放大系數遠大于底部的放大系數,進一步驗證了底部環向封閉區域的筒壁對于落煤口區域的約束嵌固作用;在整個儲煤過程中,加速度響應最大的是堆煤工況7,在該工況下,整個結構的最大加速度響應達到了19.5 m/s2,加速度放大系數達到19.9,抗震設計時應重點考慮。

圖4為工況4和工況7堆煤與落煤筒相互作用模型最頂層位移響應最大處的位移時程曲線。從圖4可知:隨著內、外側堆煤量的增加,落煤筒結構相同位置的水平位移響應亦隨之增加,受影響程度也越來越明顯;隨著落煤筒高度的增加,結構水平位移響應最大值也隨著增加;處于煤堆埋深以下區域的位移響應增長趨勢遠大于煤堆埋深以上區域;所有區域落煤口四周的頂部位移響應遠大于底部;位移響應最大的是工況7,最大位移響應出現在最頂層,水平位移值達到了23.55 cm,層間位移角為1/165。從堆煤工況3模型開始,層間位移角的大小與結構的豎向高度成反比關系。最大的層間位移角出現在工況7模型的第一層落煤口的頂部,達到了1/109,位移為5.47 cm。

圖4 工況4、7模型的最頂層位移時程曲線

在應力響應方面,相互作用模型的水平應力響應值遠大于單獨落煤筒結構的水平應力響應值,工況7模型的最大應力響應值為單獨落煤筒的2.7倍。在整個儲煤過程中,不同位置的水平應力響應值隨著煤堆高度的增加而降低,即整個模型底部的水平應力響應最大,但值得注意的是,處于煤堆埋深以下區域的水平應力響應增長趨勢遠大于煤堆埋深以上區域。堆煤工況7時結構的最大水平應力區域為第一層落煤口底部,水平應力最大值為7.97 MPa。

4 卸煤過程地震響應分析

在卸煤過程中,隨著外側煤堆的不斷減少,在挖煤區,隨著外側煤堆逐漸被挖去,相當于該區域整個結構的有效質量隨之降低,導致該區域結構的加速度響應和加速度放大系數均隨之降低。在非挖煤區,加速度響應和加速度放大系數均隨之增加,主要是外側煤堆屬于散粒體顆粒,其剛度較落煤筒的鋼筋混凝土結構要低很多,因此,外側煤堆會對整個結構起到一定的緩沖和減震作用。最頂層結構的地震響應也隨著外側煤堆被逐漸挖去而增加。隨著落煤筒高度的增加,加速度響應最大值也隨著增加,加速度放大系數由下至上逐步增大,每層落煤口頂部加速度放大系數遠大于底部。影響落煤筒結構加速度響應的主要因素為內外煤堆的總量和外側煤堆的緩沖減震作用。在所有堆煤工況中,加速度響應最不利工況為堆煤工況12,設計時應重點考慮。

在位移響應方面,整個卸煤過程中,隨著煤堆高度降低,在挖煤區,結構的位移響應隨之降低;在非挖煤區,結構的位移響應隨之增加,主要原因是,非挖煤區對側的煤堆被挖走,緩沖減震作用降低,導致非挖煤區結構的地震響應大小與外側煤堆被挖去量成正比。隨著落煤筒高度的增加,位移響應最大值隨之增加,每層落煤口四周頂部位移響應遠大于底部。在相同工況下,同一高度非挖煤區的位移響應大于挖煤區的位移響應。在所有堆煤工況中,位移響應最不利工況為堆煤工況12,水平位移響應最大值為29.38 cm,相比于工況7模型水平位移響應的最大值23.55 cm,增加了5.83 cm,主要是由于緩沖隔震能力降低所導致的。另外,對于層間位移角來說,最大層間位移角在工況8的第一層落煤口頂部(即外側煤堆剛被挖去時),最大層間位移角為1/112。

圖5為工況7模型第一層落煤口水平應力最大處應力時程曲線與工況12堆煤與落煤筒相互作用模型挖煤區和非挖煤區第一層落煤口應力值最大處應力時程曲線對比分析。通過對比可知:在卸煤過程中,在挖煤區,隨著外側煤堆被挖去,該區域的有效質量隨之降低,外側煤堆對落煤筒結構的約束能力也隨之減少,結構的應力得到釋放,導致該區域結構的應力響應隨之降低;在非挖煤區,結構的水平應力均隨之增加,主要是由于外側煤堆屬于散粒體顆粒,其剛度較落煤筒的鋼筋混凝土結構要低很多,因此,外側煤堆會對整個結構起到一定的緩沖和減震作用。最頂層結構的應力響應也隨外側煤堆被逐漸挖去而增加,主要是由于整個模型的減震能力降低所致。另外,隨著落煤筒高度的增加,結構的應力響應最大值也隨之降低,該區域在每層落煤口四周的底部水平應力遠大于頂部的應力。應力響應最不利工況為堆煤工況12,設計時應重點考慮。

圖5 工況7、12第一層落煤口應力時程曲線

5 結論

本文以亞塑性本構關系模擬堆煤、以彈塑性本構模擬混凝土材料,通過ANSYS軟件內嵌的接觸單元建立了儲煤-卸煤全過程的12種不同堆煤工況有限元模型,通過計算分析,得出結論如下:

(1)內、外堆煤量對結構的地震響應影響十分明顯,在結構抗震設計中應充分結合使用工況對結構的安全性進行計算。

(2)對于單獨落煤筒結構:隨著結構高度的增加,加速度和加速度放大系數、層間位移和層間位移角均隨之增加,而應力響應則相反,每層落煤口四周的應力響應最為明顯,應力最大值出現在第一層落煤口底部。結構加速度放大系數從第二層落煤口頂部開始大于1,最頂層的層間位移角為1/529,結構的最大應力響應為第一層落煤口底部,應力值為2.95 MPa。

(3)對于儲煤過程:隨堆煤高度增加,落煤筒結構的加速度、位移、應力響應隨之增加。隨著結構高度的增加,結構的加速度、位移響應最大值也隨著增加,應力最大值隨之降低。處于煤堆埋深以下區域的加速度、位移、應力響應增長趨勢遠大于煤堆埋深以上區域。最不利的加速度、位移響應出現在堆煤工況7模型的最頂層,而最不利應力響應出現在堆煤工況7模型的第一層落煤口底部。結構的第一層落煤口頂部的加速度放大系數從工況3、底部從工況5開始均大于1;從工況2開始,多處落煤口的層間位移角超出抗震規范允許值;最不利應力值幾乎是單獨落煤筒模型相應位置應力值的2.7倍。

(4)對于卸煤過程:在挖煤區,隨著堆煤高度降低,結構的加速度、位移、應力響應均隨之降低;在非挖煤區,結構的加速度、位移、應力響應則隨之增加。相同工況下,隨著結構高度的增加,加速度、位移響應最大值也隨之增加,但應力響應隨之降低;在同一高度處,非挖煤區的加速度、位移、應力響應卻大于挖煤區的加速度、位移、應力響應。最不利加速度、位移響應出現在堆煤工況12模型非挖煤區一側的最頂層,而最不利應力響應出現在堆煤工況12 模型非挖煤區第一層落煤口底部。結構的加速度放大系數均大于1,層間位移角也均超出允許范圍,最大應力響應比堆煤過程略有增加,設計時應重點關注。