倉儲建筑中的裝配式平底鋼板筒倉結構及其受力性能分析

仇新義

【摘要】鋼板筒倉結構具有占地面積小、存取方便、施工周期短等優(yōu)點，隨著我國鋼產(chǎn)量提高，鋼結構憑借抗震性能好等特性在我國各行業(yè)廣泛應用，在倉儲建筑中出現(xiàn)大批鋼板筒倉結構，但對受力性能研究有待完善。本文對倉儲建筑平底鋼板筒倉鋼材力學性能實驗，按照《糧食鋼板筒倉設計規(guī)范》不同理論方法驗算鋼板筒倉受力性能狀態(tài)，對不同糧食散料儲料為小麥計算值比儲料玉米偏大，理論計算驗證筒倉結構安全。對裝配式鋼板筒倉進行試驗檢測，分析得出靜態(tài)筒倉內力分布與理論分析值相近。采用有限元軟件建立分析模型，分析反映筒倉結構在材料彈性階段工作，可對筒倉結構優(yōu)化設計。

【關鍵詞】裝配式倉儲建筑;平底鋼板筒倉;受力分析

我國早期糧倉建筑中有西安半坡遺址儲糧窯倉，隋唐含嘉倉等，我國儲糧建倉歷史悠久，為糧倉建筑科技發(fā)展奠定堅實基礎。隨著現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展，筒倉建筑在冶金、電力等諸多行業(yè)應用，各行業(yè)對散裝物料儲運需求不斷提高，目前單體筒倉達百萬噸級，筒倉具有存儲量大，便于機械化作用等優(yōu)點，常見結構形式有鋼混筒倉與鋼板結構，隨著我國鋼產(chǎn)量提高鋼結構以其施工方便等特點在各行業(yè)廣泛應用，倉儲建筑中出現(xiàn)大批鋼板筒倉。

1、糧食倉儲建筑鋼板筒倉結構簡述

糧食鋼板筒倉是儲糧鋼結構直立容器，主要形式有焊接鋼板、螺栓裝配波紋鋼板，螺栓裝配肋型結雙壁結構等【1】。按使用材料不同分為磚筒倉，木筒倉等。砼筒倉是常見筒倉結構，大多工程實踐選用圓形筒倉。鋼混筒倉按結構承重構件不同分為高架式與落地式筒倉。工業(yè)生產(chǎn)中根據(jù)工藝要求筒倉結構直徑12m以下，采用筒壁支撐架空式結構，直徑15m以上采用落地式平底倉。鋼板筒倉具有經(jīng)濟性較好等特點，廣泛應用于各領域，按工藝不同主要結構形式為裝配式波紋與利物浦螺旋卷邊筒倉。

2、鋼板筒倉理論分析

筒倉結構散料荷載機理復雜，由于筒倉內特殊環(huán)境隨著不同直徑高度筒倉散料流動形態(tài)，環(huán)境溫濕度等內外部因素變化需采用不同分析方法，國內外進行長期研究，但對現(xiàn)場實驗檢測平底鋼板筒倉實驗研究較少，本文對平底鋼板筒倉工程實例理論分析，為實驗檢測分析提供依據(jù)。

2.1筒倉理論計算

當前理論分析是計算圓倉壁側壓力主要研究方法，Janssen理論是取得數(shù)據(jù)制定筒倉規(guī)范采用最多理論，主要計算深倉倉壁側壓力，Janssen公式在理論方面接近實際，按Janssen理論設計筒倉在內部散料流動時曾出現(xiàn)倒塌破壞，由于散料作用于筒倉壁產(chǎn)生大水平動壓力，與筒倉中心卸料方式偏心卸料有關。各國規(guī)范動壓公式采用Janssen公式，主要利用靜態(tài)散料壓力公式表達使用動態(tài)壓力值。我國《糧食鋼板筒倉設計規(guī)范》參考國外規(guī)范計算動態(tài)壓力值。

研究裝配式平底鋼板筒倉使用鋼材根據(jù)結構受力性能采用不同材料，筒倉壁是鋼板筒倉主要受力結構部位，其倉壁厚度，使用結構形式等影響鋼板結構力學性能。筒倉壁采用進口鋼材SGH340，鋼材在WDW-300微控電子萬能試驗機進行。研究筒倉壁進口鋼材強度與我國鋼材Q420材料相近，建議為提高鋼板筒倉結構經(jīng)濟性使用Q420鋼材。

2.2筒倉結構計算

研究平底鋼板筒倉壁采用波紋板，鋼板構件采用螺栓連接，倉壁高H=18.74m，筒倉直徑為11.83m.根據(jù)規(guī)范要求鋼板筒倉分為深淺倉，本文裝配式平底鋼板筒倉hn/dn>1.5為深倉【2】。由于不同合載工況，研究鋼板筒倉結構受力分布不同，通過不同理論糧食散料計算分析，掌握鋼板筒倉不同工況的受力。散料荷載是鋼板筒倉結構主要荷載作用，機理復雜，主要包括散料作用對倉壁水平壓力，對筒倉底豎向壓力等。

國外大多數(shù)以楊森理論公式計算筒倉儲糧荷載靜態(tài)壓力，計算結果可滿足現(xiàn)場鋼板筒倉結構強度要求，淺倉儲梁對倉壁水平壓力按庫倫理論為計算公式，裝糧高度較大直徑淺倉要求按深倉計算儲糧對倉壁水平壓力。由于受力機理復雜以驗算工程實例鋼板筒倉對比楊森理論不同，計算筒倉壁壓力標準值按規(guī)范提出庫倫理論計算，淺倉公式計算值比深倉計算值差異明顯。筒倉結構設計對不同糧食散料應分別計算考慮對結構不利因素。深倉卸糧時動態(tài)壓力涉及因素較多，對散料動態(tài)壓力機理未達成共識，鋼板筒倉儲糧流動時散料荷載作用對倉壁壓力增大。我國筒倉設計參考國外筒倉設計規(guī)范，儲糧作用于筒倉壁動態(tài)壓力值等于動靜態(tài)壓力修正系數(shù)相乘。

3、鋼板筒倉現(xiàn)場測試分析

國內外有學者從事筒倉壁壓實驗研究，由于測量技術落后等原因理論與實驗測試結果差異大。隨著精確實驗研究廣泛開展，散料對倉體作用成為世界研究熱點問題，各國學者大部分對倉內散料靜態(tài)倉壁壓力作為研究動態(tài)卸料壓力的基礎，動態(tài)壁壓力在靜態(tài)基礎上修正，本文研究平底鋼板筒倉工程實例實驗。

3.1實驗方案

根據(jù)糧食鋼板筒倉工程實例某工廠建立裝配式平底筒倉，基礎采用樁基礎，施工現(xiàn)場將工廠預制波紋板采用螺栓連接，倉壁高H=18.74m，施工周期短，是常用糧食鋼板筒倉。為掌握平底鋼板筒倉使用下結構受力性能，筒倉進卸料下內力分布等結構性能分析，了解鋼板筒倉承載能力，研究糧食鋼板筒倉檢測結果與有限元分析對比研究提供依據(jù)，為設計制造鋼板筒倉結構提供參考。

鋼板筒倉檢測采用電測法，通過電阻應變片獲得電信號，檢測前根據(jù)結構應力分析結果確定測點位置，實驗檢測采用靜態(tài)電阻應變儀，通過應變儀傳輸給電腦檢測，可配接應變，溫度等傳感器。通過接口擴展到1000點，各測點橋路形式獨立，提供操作方便的軟件。平底鋼板監(jiān)測點布置在倉壁板等受力構件，檢測點對稱布置考慮線路損壞導致重要數(shù)據(jù)丟失，根據(jù)鋼板筒倉受力特點，在各工況段檢測倉壁板等受力構件，布設測點考慮重點部位，測點需溫度補償。

3.2實驗結果分析

根據(jù)工程實例平地鋼板筒倉情況，對筒倉使用進行實驗檢測。實驗根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場檢測，檢測中筒倉加料在白天進行，筒倉進料160t，卸料階段在晚上進行，卸料60t，實驗檢測分析平底鋼板筒倉使用下結構受力具有代表性。隨著筒倉進料增加對實驗檢測鋼板筒倉內力分布影響，筒倉受力機理復雜，受到糧食散料對筒倉壁豎向摩擦力，討論同荷載下不同散料狀態(tài)下倉壁受力機理。

試驗階段筒倉內糧食散料不斷變化，隨著荷載變化散料顆粒密實度變化，倉壁受力影響因素較多，但對比試驗穩(wěn)態(tài)值相近，糧食散料荷載對倉壁環(huán)向應變力起到主要作用。由于筒倉高度較大，檢測結構不利內力小，但在筒倉進料階段，倉壁中間材料強度處于不利地位。筒倉使用中內力不利，深倉結構不會在頂部采取構造措施進行局部加強，倉底部位采用較厚豎向加強筋。根據(jù)實驗檢測研究，建議對深倉根據(jù)實際工程結構在倉壁中間采取局部加強構造措施，保證結構安全性。

參考文獻：

[1]毋菲菲.落地式鋼板筒倉豎向加勁肋在糧食荷載作用下穩(wěn)定性研究[D].河南工業(yè)大學，2016.

[2]丁花超.高架式鋼板筒倉力學性能分析及設計優(yōu)化研究[D].鄭州大學，2016.

（本文作者單位為河南工大設計研究院，河南，450001）