關(guān)于鋼筒倉設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵問題的探討

郝 杰，胡 亮

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 概述

鋼筒倉結(jié)構(gòu)廣泛用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工、電力等諸多領(lǐng)域中，而且1985年澳大利亞一項(xiàng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)研究需求的調(diào)研表明“筒倉”為僅次于“房屋”的急需研究的對(duì)象。但圓形鋼筒倉作為一種組合的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu),其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性能加上不合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)致了許多鋼筒倉的結(jié)構(gòu)破壞。即使在歐美等國對(duì)鋼筒倉理論研究較為深入、設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)完善的國家，也經(jīng)常有鋼筒倉結(jié)構(gòu)破壞的報(bào)道。

長期以來鋼筒倉結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)主要圍繞兩個(gè)問題：①如何確定倉內(nèi)儲(chǔ)料對(duì)倉壁產(chǎn)生的荷載；②筒倉倉壁在豎向摩擦力和水平壓力作用下的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。我國于2001年頒布的《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)促進(jìn)鋼筒倉的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的作用。文章以我國新出版的《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》為基礎(chǔ), 探討了儲(chǔ)料荷載的取值和鋼筒倉的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。詳細(xì)比較了我國規(guī)范在儲(chǔ)料荷載計(jì)算和穩(wěn)定設(shè)計(jì)方面與國外同類規(guī)范的異同。規(guī)范比較和參數(shù)分析表明了我國規(guī)范在諸多方面有著自己的特色。

2 靜態(tài)荷載計(jì)算比較

2.1 側(cè)壓力系數(shù)與儲(chǔ)料物理數(shù)取值比較

根據(jù)裝料口位置與鋼筒倉軸線的關(guān)系，筒倉裝料可分為中心裝料和偏心裝料。中國、美國和德國規(guī)范僅考慮中心裝料，而澳大利亞規(guī)范和歐洲規(guī)范同時(shí)考慮中心裝料和偏心裝料。

計(jì)算靜態(tài)荷載時(shí)的主要變量為側(cè)壓力系數(shù)（k）和儲(chǔ)料的物理特性參數(shù)（包括儲(chǔ)料的重力密度γ、儲(chǔ)料的內(nèi)摩擦角Φ和儲(chǔ)料與倉壁間的摩擦系數(shù)μ，各國規(guī)范對(duì)常見儲(chǔ)料都給出了儲(chǔ)料的物理特性參數(shù)，但對(duì)儲(chǔ)料的物理特性參數(shù)的變異性有不同的處理方法。用重力密度計(jì)算靜態(tài)荷載時(shí)各國規(guī)范都取上限值。對(duì)儲(chǔ)料的內(nèi)摩擦角和儲(chǔ)料與倉壁間的摩擦系數(shù)，中國、美國和德國規(guī)范不單獨(dú)考慮它們的變異性，每一種儲(chǔ)料對(duì)應(yīng)一組固定的（Φ，μ）。

澳大利亞規(guī)范給出了Φ和μ的上、下限值，而歐洲規(guī)范同時(shí)給出變化范圍和平均值（Φm，μm）。因此，在澳大利亞規(guī)范、歐洲規(guī)范和ISO規(guī)范中，根據(jù)Φm和μm的不同組合，靜態(tài)荷載可分為兩種工況，這是與中國規(guī)范的一個(gè)重大區(qū)別。中國規(guī)范不考慮工況的組合，見表1。

表1 荷載工況定義

表1同時(shí)列出了對(duì)應(yīng)的物理特性參數(shù)取值。在下面的討論中，對(duì)澳大利亞規(guī)范、歐洲規(guī)范和ISO倉壁荷載限于工況1。表2則比較了6套規(guī)范對(duì)常見儲(chǔ)料(小麥)的物理特性參數(shù)。對(duì)澳大利亞規(guī)范、歐洲規(guī)范和ISO規(guī)范中儲(chǔ)料與倉壁間的摩擦系數(shù)產(chǎn)同倉壁的光滑度有關(guān)，表2計(jì)算中假定筒倉由結(jié)構(gòu)用碳素鋼板焊接而成，表面一般性光滑。對(duì)于我國的規(guī)范，沒有考慮光滑度的概念。在中國的《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》中，只是簡單地區(qū)分了主要散料對(duì)于混凝土和對(duì)于鋼板的不同摩擦力系數(shù)。

表2 儲(chǔ)料物理特性參數(shù)和側(cè)壓力系數(shù)比較（儲(chǔ)料：小麥）

從表2可以看出不同國家對(duì)于同一種儲(chǔ)料的參數(shù)取值有不小的差異。對(duì)于重力密度，我國和美國規(guī)范的取值相對(duì)較小，比最大的規(guī)范給出的值小了將近11%。對(duì)于摩擦系數(shù)，德國給出的值為0.25，不到澳大利亞規(guī)范（0.577）的50%。我國規(guī)范和美國規(guī)范的取值總體來講比較小。對(duì)于側(cè)摩擦力系數(shù)，我國規(guī)范取值最小，為0.333，只有最大值（ISO取值為0.69）的48.3%。

需要注意的幾點(diǎn)是：

（1）中國、美國和德國規(guī)范不單獨(dú)考慮儲(chǔ)料的變異性，對(duì)于一種特定儲(chǔ)料，給出一組固定的參數(shù)，而澳大利亞，歐洲規(guī)范和ISO給出了不同工況組合。顯然給出不同工況組合比較合理。因?yàn)橛袝r(shí)候?qū)τ谀撤N特定的破壞模式,要用適當(dāng)?shù)纳舷藁蛳孪拗登蟮米畈焕膫}壁壓力。例如在驗(yàn)算倉壁在軸向壓力下的屈曲強(qiáng)度時(shí),需用可能的軸向壓力的最大值以及可靠內(nèi)壓的最小值。

（2）對(duì)于某一特定儲(chǔ)料的摩擦力系數(shù)，我國規(guī)范只簡單區(qū)分了對(duì)混凝土板和鋼板的摩擦力系數(shù)不同，而澳大利亞、歐洲規(guī)范和ISO規(guī)范規(guī)定儲(chǔ)料與倉壁間的摩擦力系數(shù)同倉壁的光滑度有關(guān)。因?yàn)殡m然都是鋼板筒倉，不同廠家生產(chǎn)的筒倉其光滑度必然有不同，因此這樣做是合理的。從我國規(guī)范給出的摩擦力系數(shù)看，不同規(guī)范間的摩擦力系數(shù)相差就不大，如果對(duì)于同一種儲(chǔ)料再區(qū)分不同摩擦力系數(shù)，顯然差別也不會(huì)很大。但如果我國規(guī)范能在這點(diǎn)上作出說明，對(duì)筒倉生產(chǎn)所用的鋼材特性給出參數(shù)說明，就更嚴(yán)密了。

（3）側(cè)壓力系數(shù)直接與豎向水摩擦力的計(jì)算有關(guān)，我國規(guī)范給出的豎向摩擦力系數(shù)最小，這直接導(dǎo)致在下面的計(jì)算比較中我國的豎向摩擦力計(jì)算偏小，從設(shè)計(jì)角度來講，這是經(jīng)濟(jì)的，但也是對(duì)安全不利的。

2.2 水平內(nèi)壓和豎向摩擦力計(jì)算比較

除了與其他結(jié)構(gòu)相同的常規(guī)外荷載之外,筒倉結(jié)構(gòu)還承受由所儲(chǔ)存散料引起的內(nèi)壓及倉壁摩擦力。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，鋼筒倉結(jié)構(gòu)的破壞大部分都是豎向摩擦力作用下導(dǎo)致的筒倉的屈曲破壞。因此散料荷載往往是筒倉結(jié)構(gòu)中的主要荷載。筒倉設(shè)計(jì)中最主要的一個(gè)工作就是確定儲(chǔ)料的荷載作用。筒倉儲(chǔ)料主要產(chǎn)生水平內(nèi)壓和豎向摩擦力，①豎向摩擦力是由水平內(nèi)壓產(chǎn)生的；②雖然豎向摩擦力是導(dǎo)致筒倉破壞的直接原因，但內(nèi)壓的存在對(duì)于筒倉的破壞又有重大而復(fù)雜的影響。事實(shí)上關(guān)于內(nèi)壓下筒倉的破壞已經(jīng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這就導(dǎo)致筒倉荷載的確定和穩(wěn)定計(jì)算方法的選擇比較復(fù)雜。

儲(chǔ)料產(chǎn)生的豎向摩擦力可使筒倉倉壁失穩(wěn)，而水平內(nèi)壓力可提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。充分利用內(nèi)壓有利作用的前提條件是保證倉壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)截面處內(nèi)壓始終存在。中國、美國、歐洲規(guī)范和IOS直接利用表2給出的參數(shù)計(jì)算豎向摩擦力和水平內(nèi)壓力，然后進(jìn)行倉壁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

為結(jié)構(gòu)安全計(jì)，澳大利亞規(guī)范通過減少水平內(nèi)壓來降低水平內(nèi)壓力的有利作用，對(duì)裝料階段和中心卸料階段，內(nèi)壓降幅為20%。德國規(guī)范在倉壁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)增大倉壁豎向摩擦力和減少水平內(nèi)壓，增幅和降幅分別為10%和67%。圖1比較了豎向摩擦力和水平內(nèi)壓沿倉壁高度的變化。筒倉直徑D假定為20 m，高度H為40 m。（按中國規(guī)范屬于深倉，按深倉計(jì)算公式計(jì)算）。

圖1 水平壓力沿隨計(jì)算高度的變化

圖2 豎向摩擦力隨計(jì)算高度的變化

從圖2可知，各國規(guī)范給出的荷載差別很大，對(duì)于水平壓力值，歐洲規(guī)范給出的最大，德國規(guī)范給出的最小，比如在計(jì)算深度為1 m的時(shí)候，德國規(guī)范計(jì)算出的水平壓力為15.395 4 kPa，而歐洲規(guī)范計(jì)算出的水平壓力為46.158 26 kPa，比德國規(guī)范的3倍還多。而到了計(jì)算深度為40 m的時(shí)候，德國規(guī)范的水平壓力為41.509 06 kPa。歐洲規(guī)范為107.702 3 kPa，比德國規(guī)范的2倍還多。這是由于德國規(guī)范人為地把按Janssen公式計(jì)算出來的水平壓力折減了67%。

由于內(nèi)壓是對(duì)筒倉的穩(wěn)定有利的，德國規(guī)范對(duì)水平壓力的折減幅度最大，于是設(shè)計(jì)保守了。而歐洲規(guī)范相對(duì)來說設(shè)計(jì)比較經(jīng)濟(jì)。我國規(guī)范總體來說，比大部分的同類規(guī)范計(jì)算的值要低，對(duì)設(shè)計(jì)來說是比較保守的。

對(duì)于豎向摩擦力，澳大利亞規(guī)范給出的最大，我國規(guī)范給出的最小。在計(jì)算深度為1 m時(shí)，澳大利亞規(guī)范計(jì)算出的豎向摩擦力24.4 kPa，中國規(guī)范給計(jì)算出的豎向摩擦力為7.2，不到德國規(guī)范的30%。在計(jì)算深度為40 m處，澳大利亞規(guī)范計(jì)算出的豎向摩擦力43.03kPa，而中國規(guī)范計(jì)算出的緊身摩擦力只有22.01kPa，約為澳大利亞規(guī)范的50%左右。而豎向摩擦力的大小直接和筒倉和穩(wěn)定承載力有關(guān)，從這一點(diǎn)來說，澳大利亞規(guī)范的設(shè)計(jì)比較保守，我國的設(shè)計(jì)相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然這是建立在各國所取的儲(chǔ)料參數(shù)（Φ，μ）不同和各國的折減系數(shù)不同的基礎(chǔ)之上。

需要說明的一點(diǎn)是：水平內(nèi)壓對(duì)鋼筒倉的結(jié)構(gòu)行為具有雙重性。①彈性屈曲應(yīng)力隨著內(nèi)壓的增大而逐步提高；②當(dāng)內(nèi)壓到達(dá)一定值后，筒倉由彈性失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄允Х€(wěn)，底部發(fā)生“象腳式”屈曲，承載力不但低于彈性屈曲應(yīng)力而且隨著內(nèi)壓的增大逐步降低。中國規(guī)范考慮了內(nèi)壓的有利作用，即在計(jì)算穩(wěn)定承載力里，區(qū)分有內(nèi)壓和無內(nèi)壓時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)。而歐洲規(guī)范則有詳細(xì)的計(jì)算，并且區(qū)分了彈性和彈塑性破壞。

3 結(jié)論

文章介紹了國外鋼筒倉儲(chǔ)料荷載規(guī)范，并同我國《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，我國規(guī)范只考慮中心裝料和中心卸料，而沒有涉及偏心裝料和偏心卸料。對(duì)中心卸料，我國規(guī)范給出的豎向摩擦力最小，筒倉底部摩擦力還不到澳大利亞規(guī)范值的一半，而我國的儲(chǔ)料水平壓力修正系數(shù)卻明顯比國外同類規(guī)范大。對(duì)常見筒倉尺寸（H/D=2）和常見儲(chǔ)料（小麥），最大差別為54%（同歐洲規(guī)范比較），最小為33%（同澳大利亞規(guī)范比較）。同時(shí)，儲(chǔ)料水平壓力修正系數(shù)Ch的分布存在不合理的因素，如在S＞hn/3時(shí)，統(tǒng)一取Ch=2就缺少理論解釋。另一方面，工程實(shí)踐表明偏心卸料是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。即使對(duì)中心卸料的筒倉，由于卸料時(shí)儲(chǔ)料的離析（Segregation）作用，水平壓力分布周向不均勻，導(dǎo)致筒倉倉壁偏心受載，因此迫切需要在儲(chǔ)料計(jì)算和倉壁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮不均勻水平壓力分布的影響。我國規(guī)范在這一方面還有很大的完善空間。

總體來說，我國的筒倉規(guī)范有自己的特色，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的可靠性和先進(jìn)性，對(duì)于常用尺寸筒倉能滿足設(shè)計(jì)要求，同樣也有值得進(jìn)一步完善的地方。

[1]GB 50322—2001.糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社出版，2001.

[2]貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫組.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3]張家康，黃文萃.筒倉領(lǐng)料壓力計(jì)算的理論與方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，35（5）：24—28.

[4]騰錦光，趙陽.大型鋼筒倉的結(jié)構(gòu)行為與研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001（4）.