散体物料对筒仓结构动力响应影响的离散元数值模拟

　　0 前言

　　筒仓是用来贮存散体物料的一种功能性构筑物,散体本身的物料特性以及筒仓结构与散体物料间相互作用对筒仓结构的动力响应具有重要影响.

　　筒仓结构的动力响应是一个复杂的薄壁结构空间问题.到目前为止,考虑散体物料对筒仓结构地震响应的研究尚不多见^[1].我国现行筒仓抗震设计规范用简化的有限个自由度的悬臂结构模型表示筒仓结构,将仓内贮料折算为动力有效质量,因此不能完全反映空间结构的筒仓结构动力响应问题.

　　在考虑散体介质特性和散体与结构相互作用对筒仓结构动力响应的影响条件下,笔者采用了基于离散单元法的颗粒流程序(PFC),模拟筒仓结构在简谐地震动作用下仓壁侧压力变化情况、位移响应和速度响应,并且通过对筒仓内无散体颗粒、有一半散体颗粒和装满颗粒3种工况下动力响应进行模拟,得出了筒仓结构与散体颗粒相互作用对筒仓结构动力响应的影响情况^[2].

　　1 筒仓模型

　　平行连接模型是PFC中为模拟结构及构件而提出的一种模型,该模型用离散的颗粒单元模拟连续体的结构体.定义一组相同颗粒半径、相同刚度并且用平行连接模型连接的球体单元模拟筒仓仓壁结构和筒仓基础,用离散的球体单元模拟筒仓内的散体颗粒.筒仓模型尺寸:仓壁高为1. 2m,筒仓内径为0. 3 m,漏斗壁与水平面的夹角为56. 3^。.

　　分别模拟了空仓模型、半仓模型和满仓模型3种工况,如图1所示.

　　组成筒仓结构的各个球体具有各自编号,通过观测不同计算高度处仓壁球所受到的压力大小、位移和速度,可以监测筒仓结构在地震动作用下的压力变化情况、位移响应和速度响应.共监测了仓壁3个部位,其计算高度分别为: 0. 001 m、0. 6 m、1. 2 m,分别代表仓壁上部1/3范围、仓壁中部1/3范围和仓壁下部1/3范围的情况.

　　2 简谐地震动

　　为了便于观察筒仓动态响应的影响因素,本研究选择了简谐地震动,研究筒仓结构的仓壁侧压力变化情况、位移响应和速度响应,以及结构与散体相互作用对其响应的影响情况.模拟中在筒仓基础部分,输入的简谐地震动加速度时程曲线如图2所示.其中,运动频率为20Hz,该地震动在筒仓基础上作用了一个周期,即持时0. 3 s.

　　3 简谐地震动作用的数值模拟结果

　　3. 1 仓壁所受侧压力的变化情况

　　简谐地震动作用下,半仓模型和满仓模型在筒仓漏斗与仓壁交接处的侧压力变化情况,如图3所示,可以得出:

　　(1)在同一简谐地震动作用下, 2种模型筒仓漏斗与仓壁交接处仓壁的侧压力随地震动作用时间的变化趋势大致相同,都是先增大后减小;