糧食筒倉受力特征及震害機理分析

◎ 胡亞民，段君峰

（1.鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院 建筑工程學院，河南 鄭州 451150）

糧食是關(guān)系國計民生和國家經(jīng)濟安全的重要戰(zhàn)略物資。雖然近年來我國糧食產(chǎn)量連年提升，但面對復(fù)雜多變的國際形勢、全球氣候問題、自然災(zāi)害和社會風險，仍需居安思危，確保糧食儲備安全[1]。在糧食全產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展的今天，倉儲結(jié)構(gòu)已成為糧食生命線工程系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點的重要組成部分。倉儲結(jié)構(gòu)的安全保證了糧食安全儲備和糧食生命線工程的正常運行。地震是人類社會危害最大的突發(fā)性自然災(zāi)害之一，地震對倉儲結(jié)構(gòu)的破壞遠高于其他工業(yè)建筑，幾乎所有的倉儲設(shè)施都會受到不同程度的破壞。地震對倉儲結(jié)構(gòu)的破壞不僅影響相關(guān)生產(chǎn)的正常運行，造成內(nèi)部儲料泄漏，還會帶來大量的資源浪費或二次污染，甚至引發(fā)次生災(zāi)害[2-3]。

糧食倉儲在確保災(zāi)后糧食供應(yīng)、保障救災(zāi)順利進行等方面發(fā)揮重要作用，因此糧食倉儲設(shè)施的抗震防災(zāi)研究，對糧食安全、經(jīng)濟穩(wěn)定以及災(zāi)后補給都具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于此，本文對糧食倉儲設(shè)施中常見的筒倉結(jié)構(gòu)類型及其特征進行總結(jié)，并結(jié)合震害實例對筒倉的受力性能和震害機理進行分析，以期為筒倉結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。

1 筒倉的類型及受力特性

1.1 筒倉類型

筒倉（圖1）具有占地面積小、機械化程度高、造價低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于糧食港口、碼頭、儲備庫及加工廠等，是一種較為科學，具有較大發(fā)展和應(yīng)用前景的倉型[4-5]。在筒倉100多年的發(fā)展歷程中，根據(jù)不同的功能需求，以及因地制宜、因材施用的原則，涌現(xiàn)出了多種多樣的倉型和結(jié)構(gòu)形式，具體分類如圖2所示[5]。

圖1 筒倉圖

圖2 筒倉的分類圖

目前，我國工程中多采用鋼筋混凝土圓形筒倉結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)筒倉高徑比或散體破裂面分為深倉和淺倉2大類倉型，其中采用高徑比分類簡單直觀且應(yīng)用廣泛[6-7]。當H/D≥1.5時為深倉；當0.4＜H/D≤1.0時為淺倉（H為筒倉深度，D為圓倉內(nèi)徑）。表1給出了我國常用的筒倉結(jié)構(gòu)布置形式和特點。

表1 筒倉結(jié)構(gòu)形式和特點表

1.2 筒倉受力性能分析

筒倉屬于特種結(jié)構(gòu)，主要特點在于結(jié)構(gòu)高大、重心高、體積大，在地震作用下，能夠產(chǎn)生較大的附加彎矩和剪力，較易發(fā)生破壞；內(nèi)部散體質(zhì)量遠大于結(jié)構(gòu)自重，且散體既作為活荷載，同時又作為體系的一部分影響著結(jié)構(gòu)的力學行為和動態(tài)特性[8-9]。同其他結(jié)構(gòu)相比，筒倉結(jié)構(gòu)除了承受風載、雪載、地震荷載等作用外，還需要考慮內(nèi)部散體對結(jié)構(gòu)的作用，同時還必須考慮進出倉過程中所產(chǎn)生的流動沖擊荷載[10]。此外，筒倉內(nèi)部儲存的散體雖具有流體的流動性，卻又不像流體一樣能夠向各方向等同地傳遞壓強，其物理特性極具復(fù)雜性，具有不同于流體、固體和凝聚態(tài)物理的特殊力學行為。因此，在動力響應(yīng)下，散體與筒倉之間存在著復(fù)雜的相互作用，宜綜合考慮散體與固體相互運動時壓力、速度的分布變化，以及各種耦合效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)換和損失等[11]?，F(xiàn)有國家筒倉規(guī)范針對地震下的糧食重力代表值按糧食總倉容的80%考慮。

2 筒倉震害特征及破壞因素分析

2.1 筒倉震害特征

歷次震害資料表明，筒倉結(jié)構(gòu)在地震中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點受到不同程度的破壞，直接造成生產(chǎn)中斷，嚴重者發(fā)生傾斜倒塌造成糧食資源損失，同時影響災(zāi)后糧食供給和保障，實際工程設(shè)計應(yīng)對其在地震中的安全性予以重視。以往的震害調(diào)研中，很少有對倉儲結(jié)構(gòu)進行專門的震害調(diào)查和分析，因此現(xiàn)階段專門針對筒倉結(jié)構(gòu)的震害調(diào)研資料比較有限。筒倉微小的沉降不均或輕微裂縫、變形等，不會造成嚴重的危害；一旦倒塌，則會造成內(nèi)部儲料泄露，嚴重危及人們生命和財產(chǎn)安全。

近年來我國發(fā)生的地震震害資料表明，柱承式方倉震害嚴重，筒壁支承的圓形筒倉震害輕微[12]。其中，唐山地震中柱承式筒倉的倒塌及嚴重損害率，在9度烈度區(qū)約為22.2%，10～11烈度區(qū)約為46.6%。柱承式筒倉破壞部位大多在柱與其上部倉壁或與基礎(chǔ)連接的部位，筒壁支承的圓形筒倉幾乎沒有倒塌。從宏觀震害調(diào)查結(jié)果來看，無論是方倉還是圓倉，倉體本身均基本完好，震害輕微。震害資料表明，筒倉結(jié)構(gòu)破壞往往發(fā)生在筒倉不同部位連接處（如柱子與倉壁、環(huán)梁交接處，倉壁與錐斗交接處等），由于剛度、幾何尺寸突變，易出現(xiàn)應(yīng)力集中[13-14]。特別是柱承式筒倉，是一種對抗震不利的“雞腿”結(jié)構(gòu)，支承柱上部的倉體結(jié)構(gòu)相對于支承柱可視作大型剛體，而下部支承柱抗側(cè)剛度較小，不利于抵抗剪力和側(cè)移，由于應(yīng)力局部增高，連接處在地震作用下易發(fā)生斷裂。柱子往往遭到斜拉破壞，倉體隨之倒塌。此外，在地震作用下，因地基變形造成基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動，柱彎矩圖的反彎點相應(yīng)下降，柱頂端內(nèi)力大于底端。柱底端埋于地面以下，受地坪和周圈土壤的影響能起有利作用，因此柱底端的震害稍輕于柱頂。此外，地震運動不僅存在水平及垂直加速度，還有轉(zhuǎn)動分量，尤其在滿倉情況下，儲料豎向壓力過大，支承柱的軸壓比增高，導(dǎo)致其延性不足，難以消耗地震作用的慣性力，致使筒體倒塌。例如，汶川地震中柱承式圓形筒倉嚴重破壞率為28%[15]。

圖3給出了筒倉結(jié)構(gòu)常見的幾種破壞形式。從結(jié)構(gòu)材料來說，混凝土筒倉的抗震性能要高于砌體筒倉和鋼板筒倉；從支承形式來說，筒承式筒倉的抗震性能高于柱承式；從震害位置來說，下部支承部位和倉頂建筑均屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)。

圖3 筒倉震害實例圖

通過以上分析可知，地震作用下筒倉破壞主要形式可歸結(jié)為地基基礎(chǔ)的失效、支承結(jié)構(gòu)的破壞、倉壁與錐斗連接的失效、洞口的應(yīng)力集中、上部結(jié)構(gòu)與設(shè)備的連接破壞等。

2.2 筒倉破壞因素分析

任何結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵都在于確定其所受的荷載，筒倉也不例外。因內(nèi)部儲料散體的特殊性，筒倉結(jié)構(gòu)在承受地震荷載的同時，還需承受內(nèi)部散體運動帶來的動態(tài)儲料壓力[16]。因此，筒倉的抗震設(shè)計必須同時考慮內(nèi)部儲料運動產(chǎn)生的水平荷載。散體作為彼此相互聯(lián)系的固體顆粒組成的不連續(xù)介質(zhì)集合體，具有分散性、復(fù)雜性和易變性。微觀上，筒倉內(nèi)部儲存的散體由固體顆粒組成，顆粒的無粘結(jié)特性，使得顆粒之間僅存在單邊接觸力和摩擦力，因此能夠承受壓力，在儲料與儲料、儲料和倉壁之間傳遞剪應(yīng)力，而不能承受拉力。雖具有流體的流動性，卻又不能像流體一樣向各個方向等同地傳遞壓強，且散體能夠在一定范圍內(nèi)保持其堆積形狀。正是散體這種特殊的力學行為，使得筒倉-散體結(jié)構(gòu)體系在動力響應(yīng)下，必須綜合考慮散體與固體相互運動時壓力、速度的分布變化，以及各種相互耦合效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)換和損失等[17-18]。

從不同的結(jié)構(gòu)類型分析，圓形筒倉的筒壁為空間軸對稱旋轉(zhuǎn)殼體結(jié)構(gòu)，剛度大、抗變形能力強，抗扭轉(zhuǎn)性能好，且上下剛度基本一致；柱承式筒倉上下剛度變化大，支柱作為結(jié)構(gòu)薄弱層，抗側(cè)剛度小，倉體剛度遠大于其支柱，導(dǎo)致水平側(cè)移大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且其重心高導(dǎo)致地震作用下較易產(chǎn)生傾覆力和軸力。

此外，地震通常會引起水平和豎向兩個方向的振動，甚至還會引起轉(zhuǎn)動。筒倉的重量較大，因此豎向地震對筒倉的影響較小。由于重心高，地震水平作用對筒倉的影響較大。同時，水平地震荷載的大小直接與筒倉的重量成正比關(guān)系。隨著筒倉高度的增加，筒倉結(jié)構(gòu)的質(zhì)心高度增大，假定地震水平作用在質(zhì)心處，則地震水平荷載力臂越大，對應(yīng)的基底彎矩也越大?；讖澗氐脑龃螅瑫?dǎo)致筒倉基底壓力分布不均，有可能發(fā)生傾倒，且筒倉內(nèi)部儲料的振動也會對倉壁造成破壞。

3 結(jié)論

倉儲結(jié)構(gòu)是糧食生命線工程系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點的重要組成部分，是國家糧食儲備安全的重要保障。在綜合分析筒倉震害資料的基礎(chǔ)上，探討了筒倉結(jié)構(gòu)體系的地震破壞特征和破壞因素，得到以下結(jié)論。

（1）筒倉結(jié)構(gòu)破壞形式主要包括地基基礎(chǔ)的失效、支承結(jié)構(gòu)的破壞、倉壁與錐斗連接的失效、洞口的應(yīng)力集中以及上部結(jié)構(gòu)與設(shè)備的連接破壞等。

（2）地震作用下，筒倉內(nèi)部散體顆粒之間及散體與倉壁的運動和摩擦，能夠消耗一定的地震能量，這種能量的損耗受散體物理特性、地震烈度、筒倉幾何尺寸等諸多因素的影響，因此設(shè)計時適當考慮筒倉與內(nèi)部散體儲料的相互耦合效應(yīng)，可節(jié)省投資。

（3）倉儲結(jié)構(gòu)作為災(zāi)后糧食補給的民生項目，必須堅持以防為主，在8度以上高烈度地區(qū)應(yīng)采用抗震性能較好的筒壁落地倉。實現(xiàn)從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變，從減少災(zāi)害損失向減輕災(zāi)害風險轉(zhuǎn)變，全面提升糧食倉儲結(jié)構(gòu)抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力。