大直径混凝土浅圆仓偏心卸料下仓壁动态作用机理与设计方法研究

The existing theory is based on the assumption of deep silos, which can not correctly reflect the dynamic action mechanism to the wall in large-diameter concrete squat silos during eccentric discharge, therefore the structural design of the silo wall is unreasonable. The eccentric discharge experiments of large-diameter concrete silos model （transparent resin silo and concrete silo）will be done through the colorful stored solid, high-speed photography device and miniature pressure sensor. The aim of the experiments is to study the effect of internal friction angle , density of the solids, wall friction, discharge eccentricity and ratio of height to diameter of the silos on the flow pattern of the solids and the pressures to the wall. The whole eccentric discharge process of concrete silos will be simulated by three-dimensional finite element method and discrete element method to investigate the internal contact forces and flow velocity fields. Based on the results of the experiments and simulation analysis，empirical description of flow parameters in eccentric flow inside a silo model and the dynamic analysis model of large-diameter concrete squat silos under eccentric discharge are put forward. The horizontal and vertical distribution of normal pressures of the wall is derived. The internal force distribution law of the silos under various working conditions is investigated by finite element method and a simplified analytical procedure is proposed to find the worst condition. The design method of the wall in large-diameter concrete squat silos under eccentric discharge is provided.

目前筒仓的偏心卸料理论模型均采用深仓作为分析模型，无法正确反映浅圆仓偏心卸料下贮料流动模式与仓壁动态作用机理，从而导致不合理的仓壁结构设计。本项目拟采用彩色贮料、高速摄影装置和微型压力传感器开展偏心卸料实验研究（透明树脂筒仓和混凝土筒仓）。观测大直径混凝土浅圆仓偏心卸料下，贮料内摩擦角、容重、仓壁摩擦系数、卸料偏心率和高径比等参数对贮料流动模式和仓壁侧向力分布的影响规律。采用三维有限元和离散元模拟筒仓偏心卸料的全过程，研究筒仓内部压力和贮料颗粒速度场。基于实验和仿真结果，提出经验描述和统计分析筒仓偏心卸料贮料流动参数的方法，确定大直径混凝土浅圆仓偏心卸载的动态力学分析模型，并推导出仓壁侧压力沿竖向和环向方向的分布形式。采用有限元分析浅圆仓在偏心卸料力学模型下，各中间工况的内力分布规律，提出偏心卸料下简化计算方法，确定偏心卸料中的最不利工况，建立大直径混凝土浅圆仓偏心卸料下仓壁结构设计方法。

本国家自然科学基金项目主要研究内容及成果如下.1. 为研究浅圆仓偏心卸料下仓壁侧压力分布，开展了浅圆仓缩尺模型偏心卸料试验。试验结果表明：单孔卸料时， 靠近卸料孔一侧仓壁侧压力波动较剧烈，且更容易出现超压现象，超压位置基本位于距离仓底 1/3~2/3 高度范围内，而远离卸料孔一侧仓壁侧压力动态效应不明显；条带卸料时，超压现象更明显，产生超压的位置基本位于仓底 1/6~2/3高度范围内。.2. 开展了偏心率、高径比和卸料速度等参数对仓壁侧压力影响的系列试验研究。研究结果表明：随着偏心率的増大，超压系数呈现增大趋势；随着高径比的增大，筒仓上部更容易出现超压现象，超压系数大于1的测点在逐渐增多；随着卸料速度的降低，筒仓上部更容易出现超压现象，超压位置与贮料流动方向有关。.3. 采用离散元软件 PFC3D模拟了浅圆仓颗粒流偏心卸料全过程，离散元侧压力结果与试验值及规范值吻合较好。通过颗粒速度场、力场分析，发现仓内贮料偏心卸料下呈漏斗状模式；随着偏心卸料的进行，动态侧压力峰值出现在卸料初始阶段，筒仓上部的超压现象比下部更为明显。.4. 为了研究浅圆仓偏心卸料下仓壁的侧压力分布和内力特点，针对整板基础和环梁基础两种不同形式浅圆仓分别展开分析。采用有限元软件ABAQUS建立11个不同卸料状态下的筒仓和贮料模型，分别进行静态非线性接触分析，并通过筒仓缩尺试验验证有限元模型的正确性。.5. 总结高径比、偏心距和约束条件等重要参数的对比分析结果，得出不同偏心距中环向应力和竖向弯矩的变化规律，针对整板基础式和环梁基础式浅圆仓分别提出了偏心卸料下环向和竖向的增大系数计算公式。