料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的貯料壓力計(jì)算分析

劉大同,張寶魁,李 斌

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河北武漢 430010;2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300132)

料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的貯料壓力計(jì)算分析

劉大同1,張寶魁2,李 斌1

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河北武漢 430010;2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300132)

料倉貯料壓力計(jì)算是料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán),其計(jì)算方式分為深倉和淺倉兩種。本文通過具體算例分析,對(duì)鋼筋混凝土料倉和鋼料倉在貯料壓力計(jì)算中應(yīng)注意的壓力復(fù)核問題進(jìn)行了總結(jié),提出了較實(shí)用的解決辦法。

料倉;貯料壓力;深倉;淺倉;壓力復(fù)核

在水利水電工程施工設(shè)施中,料倉(又稱筒倉或儲(chǔ)倉)被廣泛的用來作為卸料、受料、配料和貯料的設(shè)施[1],主要包括膠凝材料罐、生產(chǎn)車間和裝車臺(tái)等。在料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,貯料壓力分析是進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和設(shè)計(jì)成果復(fù)核的前提保證?！朵摻罨炷亮蟼}設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50077-2003》(簡稱《筒規(guī)》)基于“散體理論”,提出的倉類型劃分和與其對(duì)應(yīng)之貯料壓力計(jì)算規(guī)定是進(jìn)行料倉設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

1 貯料水平壓力的計(jì)算與復(fù)核

在進(jìn)行貯料壓力計(jì)算和倉體應(yīng)力分析前,必須先確認(rèn)所設(shè)計(jì)的料倉是淺倉還是深倉?！锻惨?guī)》1.0.3條規(guī)定:“當(dāng)料倉內(nèi)貯料計(jì)算高度hn與圓形料倉內(nèi)徑dn或與矩形料倉的短邊bn之比大于或等于1.5時(shí)為深倉,小于1.5時(shí)為淺倉”。2.1.9條規(guī)定:“按倉壁高度及作用于倉壁的側(cè)壓力計(jì)算方法劃分為深倉和淺倉”。從這兩條規(guī)定可以得知:深倉、淺倉倉壁的側(cè)壓力應(yīng)按不同計(jì)算方法計(jì)算;深倉和淺倉的判定與貯料計(jì)算高度hn和料倉內(nèi)徑dn或短邊bn之比有關(guān)。

深、淺倉是料倉設(shè)計(jì)中的兩種工況,其主要不同是:按深倉設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮貯料對(duì)倉壁豎向摩擦力pf的作用,而按淺倉設(shè)計(jì)時(shí)偏于安全不考慮其作用。在料倉貯料水平壓力的計(jì)算中,當(dāng)h/dn(bn)小于1.5時(shí)(h為倉壁高度),料倉不可能出現(xiàn)深倉工況,只需按《筒規(guī)》規(guī)定的淺倉模式計(jì)算。當(dāng)hn/dn(bn)=1.5時(shí)按《筒規(guī)》4.2.6條第2款規(guī)定:“尚應(yīng)按4.2.2-1式計(jì)算貯料壓力,二者計(jì)算結(jié)果取大值”。其含義是:在hn/dn(bn)處于分界值1.5時(shí),是深、淺倉工況的過渡階段,應(yīng)分別按深、淺倉公式計(jì)算水平貯料壓力。在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,此時(shí)有可能出現(xiàn)深倉工況下倉壁水平壓力計(jì)算值比淺倉工況大的情況。以dn=6 m的水泥料倉為例,水泥密度V=16 kN/m3,內(nèi)摩擦角h=30°,水平壓力修正系數(shù)Ch=2.0,豎向壓力修正系數(shù)Cv=2.0(鋼料倉)或1.4(鋼筋混凝土料倉),摩擦系數(shù)_=0.3(鋼料倉)或0.58(鋼筋混凝土料倉),按深倉計(jì)算的倉壁水平壓力值記為pv1,按淺倉計(jì)算的倉壁水平壓力值記為pv2,計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 鋼料倉不同貯料計(jì)算高度對(duì)應(yīng)的水平壓力計(jì)算結(jié)果

表2 鋼筋混凝土料倉不同貯料計(jì)算高度對(duì)應(yīng)的水平壓力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知兩種工況的ph比值約在1.18～1.56之間,即按深倉計(jì)算的倉壁水平壓力值為按淺倉計(jì)算的倉壁水平壓力值的1.18～1.56倍。當(dāng)h/dn(bn)大于1.5時(shí),hn可以是0～h之間的任意數(shù)值(假定貯料頂面水平),兩種工況客觀上會(huì)交替出現(xiàn),比如空倉、半滿、滿倉。多數(shù)情況下,倉壁水平壓力按照深倉工況計(jì)算比淺倉工況不利。經(jīng)有限元分析,倉壁水平壓力不但與貯料的內(nèi)摩擦角h及摩擦系數(shù)_有關(guān),還與貯料的泊松比有關(guān)[3]。《筒規(guī)》規(guī)定淺倉“當(dāng)hn≥15 m且dn≥12 m時(shí),仍需按深倉驗(yàn)算”[2]。在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,當(dāng)h/dn(bn)大于1.5時(shí),建議對(duì)hn/dn(bn)處于1.5左右的倉壁水平壓力值分別按深倉和淺倉工況進(jìn)行計(jì)算,并取其不利結(jié)果作為內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)成果復(fù)核的依據(jù)。

2 貯料豎向壓力的計(jì)算

貯料豎向壓力由于倉壁豎向摩擦力pf的參與使得其計(jì)算有些復(fù)雜。料倉在裝料的過程中,經(jīng)歷hn=0到hn=1.5到hn=h這兩個(gè)階段。在整個(gè)過程中倉底貯料豎向壓力和倉壁豎向摩擦力都在逐漸增大,其值應(yīng)保持連續(xù)并且不會(huì)出現(xiàn)突變,只是在不同階段其數(shù)值的增長速率有所不同;兩者之和提供了承擔(dān)貯料重力(包括沖擊力)所需的全部支承力直至滿倉。在hn接近1.5 dn這一階段,按淺倉計(jì)算其倉底豎向壓力值記為pv 2,則倉底實(shí)際所受豎向壓力因豎向摩擦力的參與會(huì)比pv2值要小。這一階段的豎向摩擦力pf作用不顯著,在計(jì)算時(shí)沒有考慮其有利作用。這種處理方法簡化了計(jì)算,對(duì)淺倉其結(jié)果是偏于安全的。在第二階段hn繼續(xù)增加,致使倉壁水平壓力增大,則倉壁對(duì)貯料的豎向摩擦力相應(yīng)增大,豎向摩擦力的作用愈加明顯;同時(shí)倉底壓力仍然持續(xù)增長,只是比前一階段的增長速率緩慢。按深倉工況計(jì)算的倉底豎向壓力值記為pv1。本文算例分別按深淺倉計(jì)算的豎向壓力的變化范圍見表3、表4。

表3 鋼料倉豎向壓力計(jì)算結(jié)果

表4 鋼筋混凝土料倉豎向壓力計(jì)算結(jié)果

由表3所示的計(jì)算結(jié)果可知:在此鋼料倉算例中,當(dāng)hn/dn≥1.5時(shí),pv 1/V hn=1.31～1.5,即按深倉計(jì)算的豎向壓力總大于按V hn計(jì)算的豎向壓力,此時(shí)按《筒規(guī)》取pv1=V hn作為內(nèi)力分析的依據(jù)即可。

當(dāng)料倉為鋼筋混凝土料倉時(shí),表4中貯料計(jì)算高度hn=9 m=1.5 dn是深、淺倉分界點(diǎn)。按淺倉計(jì)算的最大豎向壓力pv2=144.00 kPa(hn=9 m),假定倉壁高度h=13.8 m時(shí)hn可以取13.8 m,此時(shí)的pv1和pv2計(jì)算值相當(dāng)。假定h=10.20 m時(shí),hn最大只能取到10.20 m,此時(shí)算得的pv1=127.12 kPa,而pv2仍應(yīng)為144.00 kPa,兩者相差1.13倍。假設(shè)此算例再按漏斗填料最大厚度大于1.5 m時(shí)取Cv等于1.0(《筒規(guī)》4.2.5條)考慮,pv1=90.80 kPa,此時(shí)pv 1值是pv2的1.6倍,超出《筒規(guī)》4.1.6條第1款規(guī)定的料載分項(xiàng)系數(shù)1.3的“安全儲(chǔ)備”。以上分析反應(yīng)了鋼筋混凝土料倉在高度h很大范圍內(nèi),按淺倉計(jì)算的壓力值起絕對(duì)的控制作用。此時(shí)對(duì)于倉底壓力的計(jì)算,簡單的按深倉工況考慮是不可取的。造成這樣的結(jié)果是由于淺倉工況和深倉工況的pv計(jì)算值在hn=1.5 dn分界點(diǎn)不銜接,缺乏相關(guān)的計(jì)算規(guī)定而造成的。而且與摩擦系數(shù)對(duì)深倉模式下豎向壓力影響較大,淺倉模式下豎向壓力未考慮貯料摩擦力計(jì)算過于保守有關(guān)。為此,建議在料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的解決辦法是:對(duì)于既定的h值大于1.5 dn時(shí),首先看hn=h時(shí)pv1的計(jì)算值是否大于等于pv2,若成立,則按深倉計(jì)算;若小于pv2,尚應(yīng)考慮適當(dāng)放大pv1,或者直接采用pv2值,因?yàn)橥瑯? m內(nèi)徑的料倉,高度h為10.2 m的并不比9.0 m的倉底豎向貯料壓力小。雖然這種簡化的粗略方法不能具體量化從9.0 m向13.8 m的過渡過程,但在《筒規(guī)》沒有明確規(guī)定相關(guān)復(fù)核條件的情況下,對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說這樣做是穩(wěn)妥且可操作。上例的對(duì)比從側(cè)面也反映了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性,表4可以看出d為6 m的水泥貯倉,h為13 m左右時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語

《筒規(guī)》總結(jié)了近二十年的經(jīng)驗(yàn),隨著相關(guān)理論的進(jìn)步和新技術(shù)的發(fā)展,《筒規(guī)》更加成熟和完善。設(shè)計(jì)規(guī)范是設(shè)計(jì)活動(dòng)中專業(yè)技術(shù)范疇里的準(zhǔn)則,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)規(guī)范的理解,具體問題具體分析。在料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,貯料壓力的計(jì)算在hn=1.5 dn分界點(diǎn)附近因采用不同的計(jì)算方法會(huì)出現(xiàn)數(shù)值突變,此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)貯料參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式的不同綜合考慮,確保設(shè)計(jì)成果的安全可靠。

[1] 水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè):第5卷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力出版社, 1994.

[2] GB50077-2003,鋼筋混凝土料倉設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 姜東.淺圓倉倉壁側(cè)壓力的有限元分析[J].特種結(jié)構(gòu),2007,(4).

(責(zé)任編輯:高桂芝)

The Calculation&Analysis of the Stored Material Pressure in the Structure Design of the Silos

LIU Da-tong1,ZHANG Bao-kui2,LI Bin1
(1.Changjiang Planning and Desig n Survey Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300132,China)

It is important to calculate the stored material pressure in the structure design of the silos. The calculation methods are devided into deep silo and shallow silo.According to the analysis of an actual example,the problem of the pressure value checking is summarized in the stored material pressure calculation of the reinforced concrete silo and steel silo,and a practical method is brought forward in the paper.

silo;stored material pressure;deep silo;shallow silo;pressure value checking

T U318

A

1008-3782(2010)01-0013-03

2009-07-30

劉大同(1977-),男,山東煙臺(tái)人,長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程師。