仇新義

【摘要】鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)具有占地面積小、存取方便、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量提高，鋼結(jié)構(gòu)憑借抗震性能好等特性在我國(guó)各行業(yè)廣泛應(yīng)用，在倉(cāng)儲(chǔ)建筑中出現(xiàn)大批鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，但對(duì)受力性能研究有待完善。本文對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)建筑平底鋼板筒倉(cāng)鋼材力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，按照《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》不同理論方法驗(yàn)算鋼板筒倉(cāng)受力性能狀態(tài)，對(duì)不同糧食散料儲(chǔ)料為小麥計(jì)算值比儲(chǔ)料玉米偏大，理論計(jì)算驗(yàn)證筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)安全。對(duì)裝配式鋼板筒倉(cāng)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，分析得出靜態(tài)筒倉(cāng)內(nèi)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(cāng)結(jié)構(gòu)在材料彈性階段工作，可對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】裝配式倉(cāng)儲(chǔ)建筑;平底鋼板筒倉(cāng);受力分析

我國(guó)早期糧倉(cāng)建筑中有西安半坡遺址儲(chǔ)糧窯倉(cāng)，隋唐含嘉倉(cāng)等，我國(guó)儲(chǔ)糧建倉(cāng)歷史悠久，為糧倉(cāng)建筑科技發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，筒倉(cāng)建筑在冶金、電力等諸多行業(yè)應(yīng)用，各行業(yè)對(duì)散裝物料儲(chǔ)運(yùn)需求不斷提高，目前單體筒倉(cāng)達(dá)百萬(wàn)噸級(jí)，筒倉(cāng)具有存儲(chǔ)量大，便于機(jī)械化作用等優(yōu)點(diǎn)，常見結(jié)構(gòu)形式有鋼混筒倉(cāng)與鋼板結(jié)構(gòu)，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量提高鋼結(jié)構(gòu)以其施工方便等特點(diǎn)在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，倉(cāng)儲(chǔ)建筑中出現(xiàn)大批鋼板筒倉(cāng)。

1、糧食倉(cāng)儲(chǔ)建筑鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

糧食鋼板筒倉(cāng)是儲(chǔ)糧鋼結(jié)構(gòu)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(jié)雙壁結(jié)構(gòu)等【1】。按使用材料不同分為磚筒倉(cāng)，木筒倉(cāng)等。砼筒倉(cāng)是常見筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，大多工程實(shí)踐選用圓形筒倉(cāng)。鋼混筒倉(cāng)按結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件不同分為高架式與落地式筒倉(cāng)。工業(yè)生產(chǎn)中根據(jù)工藝要求筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)直徑12m以下，采用筒壁支撐架空式結(jié)構(gòu)，直徑15m以上采用落地式平底倉(cāng)。鋼板筒倉(cāng)具有經(jīng)濟(jì)性較好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，按工藝不同主要結(jié)構(gòu)形式為裝配式波紋與利物浦螺旋卷邊筒倉(cāng)。

2、鋼板筒倉(cāng)理論分析

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)散料荷載機(jī)理復(fù)雜，由于筒倉(cāng)內(nèi)特殊環(huán)境隨著不同直徑高度筒倉(cāng)散料流動(dòng)形態(tài)，環(huán)境溫濕度等內(nèi)外部因素變化需采用不同分析方法，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行長(zhǎng)期研究，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平底鋼板筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)研究較少，本文對(duì)平底鋼板筒倉(cāng)工程實(shí)例理論分析，為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析提供依據(jù)。

2.1筒倉(cāng)理論計(jì)算

當(dāng)前理論分析是計(jì)算圓倉(cāng)壁側(cè)壓力主要研究方法，Janssen理論是取得數(shù)據(jù)制定筒倉(cāng)規(guī)范采用最多理論，主要計(jì)算深倉(cāng)倉(cāng)壁側(cè)壓力，Janssen公式在理論方面接近實(shí)際，按Janssen理論設(shè)計(jì)筒倉(cāng)在內(nèi)部散料流動(dòng)時(shí)曾出現(xiàn)倒塌破壞，由于散料作用于筒倉(cāng)壁產(chǎn)生大水平動(dòng)壓力，與筒倉(cāng)中心卸料方式偏心卸料有關(guān)。各國(guó)規(guī)范動(dòng)壓公式采用Janssen公式，主要利用靜態(tài)散料壓力公式表達(dá)使用動(dòng)態(tài)壓力值。我國(guó)《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》參考國(guó)外規(guī)范計(jì)算動(dòng)態(tài)壓力值。

研究裝配式平底鋼板筒倉(cāng)使用鋼材根據(jù)結(jié)構(gòu)受力性能采用不同材料，筒倉(cāng)壁是鋼板筒倉(cāng)主要受力結(jié)構(gòu)部位，其倉(cāng)壁厚度，使用結(jié)構(gòu)形式等影響鋼板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。筒倉(cāng)壁采用進(jìn)口鋼材SGH340，鋼材在WDW-300微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。研究筒倉(cāng)壁進(jìn)口鋼材強(qiáng)度與我國(guó)鋼材Q420材料相近，建議為提高鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性使用Q420鋼材。

2.2筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算

研究平底鋼板筒倉(cāng)壁采用波紋板，鋼板構(gòu)件采用螺栓連接，倉(cāng)壁高H=18.74m，筒倉(cāng)直徑為11.83m.根據(jù)規(guī)范要求鋼板筒倉(cāng)分為深淺倉(cāng)，本文裝配式平底鋼板筒倉(cāng)hn/dn>1.5為深倉(cāng)【2】。由于不同合載工況，研究鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)受力分布不同，通過不同理論糧食散料計(jì)算分析，掌握鋼板筒倉(cāng)不同工況的受力。散料荷載是鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)主要荷載作用，機(jī)理復(fù)雜，主要包括散料作用對(duì)倉(cāng)壁水平壓力，對(duì)筒倉(cāng)底豎向壓力等。

國(guó)外大多數(shù)以楊森理論公式計(jì)算筒倉(cāng)儲(chǔ)糧荷載靜態(tài)壓力，計(jì)算結(jié)果可滿足現(xiàn)場(chǎng)鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，淺倉(cāng)儲(chǔ)梁對(duì)倉(cāng)壁水平壓力按庫(kù)倫理論為計(jì)算公式，裝糧高度較大直徑淺倉(cāng)要求按深倉(cāng)計(jì)算儲(chǔ)糧對(duì)倉(cāng)壁水平壓力。由于受力機(jī)理復(fù)雜以驗(yàn)算工程實(shí)例鋼板筒倉(cāng)對(duì)比楊森理論不同，計(jì)算筒倉(cāng)壁壓力標(biāo)準(zhǔn)值按規(guī)范提出庫(kù)倫理論計(jì)算，淺倉(cāng)公式計(jì)算值比深倉(cāng)計(jì)算值差異明顯。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)不同糧食散料應(yīng)分別計(jì)算考慮對(duì)結(jié)構(gòu)不利因素。深倉(cāng)卸糧時(shí)動(dòng)態(tài)壓力涉及因素較多，對(duì)散料動(dòng)態(tài)壓力機(jī)理未達(dá)成共識(shí)，鋼板筒倉(cāng)儲(chǔ)糧流動(dòng)時(shí)散料荷載作用對(duì)倉(cāng)壁壓力增大。我國(guó)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)參考國(guó)外筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范，儲(chǔ)糧作用于筒倉(cāng)壁動(dòng)態(tài)壓力值等于動(dòng)靜態(tài)壓力修正系數(shù)相乘。

3、鋼板筒倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

國(guó)內(nèi)外有學(xué)者從事筒倉(cāng)壁壓實(shí)驗(yàn)研究，由于測(cè)量技術(shù)落后等原因理論與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果差異大。隨著精確實(shí)驗(yàn)研究廣泛開展，散料對(duì)倉(cāng)體作用成為世界研究熱點(diǎn)問題，各國(guó)學(xué)者大部分對(duì)倉(cāng)內(nèi)散料靜態(tài)倉(cāng)壁壓力作為研究動(dòng)態(tài)卸料壓力的基礎(chǔ)，動(dòng)態(tài)壁壓力在靜態(tài)基礎(chǔ)上修正，本文研究平底鋼板筒倉(cāng)工程實(shí)例實(shí)驗(yàn)。

3.1實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)糧食鋼板筒倉(cāng)工程實(shí)例某工廠建立裝配式平底筒倉(cāng)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，施工現(xiàn)場(chǎng)將工廠預(yù)制波紋板采用螺栓連接，倉(cāng)壁高H=18.74m，施工周期短，是常用糧食鋼板筒倉(cāng)。為掌握平底鋼板筒倉(cāng)使用下結(jié)構(gòu)受力性能，筒倉(cāng)進(jìn)卸料下內(nèi)力分布等結(jié)構(gòu)性能分析，了解鋼板筒倉(cāng)承載能力，研究糧食鋼板筒倉(cāng)檢測(cè)結(jié)果與有限元分析對(duì)比研究提供依據(jù)，為設(shè)計(jì)制造鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)提供參考。

鋼板筒倉(cāng)檢測(cè)采用電測(cè)法，通過電阻應(yīng)變片獲得電信號(hào)，檢測(cè)前根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果確定測(cè)點(diǎn)位置，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，通過應(yīng)變儀傳輸給電腦檢測(cè)，可配接應(yīng)變，溫度等傳感器。通過接口擴(kuò)展到1000點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)橋路形式獨(dú)立，提供操作方便的軟件。平底鋼板監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在倉(cāng)壁板等受力構(gòu)件，檢測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置考慮線路損壞導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失，根據(jù)鋼板筒倉(cāng)受力特點(diǎn)，在各工況段檢測(cè)倉(cāng)壁板等受力構(gòu)件，布設(shè)測(cè)點(diǎn)考慮重點(diǎn)部位，測(cè)點(diǎn)需溫度補(bǔ)償。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)工程實(shí)例平地鋼板筒倉(cāng)情況，對(duì)筒倉(cāng)使用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)中筒倉(cāng)加料在白天進(jìn)行，筒倉(cāng)進(jìn)料160t，卸料階段在晚上進(jìn)行，卸料60t，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析平底鋼板筒倉(cāng)使用下結(jié)構(gòu)受力具有代表性。隨著筒倉(cāng)進(jìn)料增加對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)鋼板筒倉(cāng)內(nèi)力分布影響，筒倉(cāng)受力機(jī)理復(fù)雜，受到糧食散料對(duì)筒倉(cāng)壁豎向摩擦力，討論同荷載下不同散料狀態(tài)下倉(cāng)壁受力機(jī)理。

試驗(yàn)階段筒倉(cāng)內(nèi)糧食散料不斷變化，隨著荷載變化散料顆粒密實(shí)度變化，倉(cāng)壁受力影響因素較多，但對(duì)比試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)值相近，糧食散料荷載對(duì)倉(cāng)壁環(huán)向應(yīng)變力起到主要作用。由于筒倉(cāng)高度較大，檢測(cè)結(jié)構(gòu)不利內(nèi)力小，但在筒倉(cāng)進(jìn)料階段，倉(cāng)壁中間材料強(qiáng)度處于不利地位。筒倉(cāng)使用中內(nèi)力不利，深倉(cāng)結(jié)構(gòu)不會(huì)在頂部采取構(gòu)造措施進(jìn)行局部加強(qiáng)，倉(cāng)底部位采用較厚豎向加強(qiáng)筋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究，建議對(duì)深倉(cāng)根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在倉(cāng)壁中間采取局部加強(qiáng)構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)安全性。

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（本文作者單位為河南工大設(shè)計(jì)研究院，河南，450001）