摘" 要：鋼筒倉(cāng)在倉(cāng)壁、倉(cāng)裙及漏斗相交處容易發(fā)生平面外屈曲破壞，通常在相交處設(shè)置一道環(huán)梁來抵抗破壞，相交處環(huán)梁穩(wěn)定對(duì)鋼筒倉(cāng)安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。環(huán)梁通常分T型環(huán)梁與環(huán)板環(huán)梁2種。環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度是環(huán)板環(huán)梁的2個(gè)主要參數(shù)，為進(jìn)一步研究其對(duì)環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的影響，以某項(xiàng)目鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁為例，分別依據(jù)中國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范的計(jì)算方法，深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，比較分析中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范計(jì)算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筒倉(cāng);環(huán)板環(huán)梁;穩(wěn)定承載力;倉(cāng)壁;倉(cāng)裙;漏斗

中圖分類號(hào)：TU311.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0098-04

Abstract： Steel silos are prone to out-of-plane buckling failure at the intersection of silo walls， silo skirts and funnels. A ring beam is usually set at the intersection to resist damage. The stability of the ring plate and ring beam at the intersection plays a crucial role in the safe operation of the steel silo. Ring beams are usually divided into two types： T-shaped ring beams and ring plate ring beams. Ring plate and ring beam width and ring plate and ring beam thickness are the two main parameters of ring plate and ring beam. In order to further study their influence on the stable bearing capacity of ring plate and ring beam， taking a steel silo ring plate and ring beam as an example， and based on the calculation methods of China codes and European codes respectively， the relationship between ring plate and ring beam width and ring plate and ring beam thickness and ring plate and ring beam stability bearing capacity is deeply studied， the differences between the calculated values of China codes and European codes are compared and analyzed， and reasonable suggestions are put forward to provide reference for similar projects.

Keywords： steel silo; ring plate and ring beam; stable bearing capacity; silo wall; silo skirt; funnel

鋼筒倉(cāng)是一種用于各種物料的直立鋼容器，按平面形狀可分為圓形、方形、矩形和多邊形，按支承方式可分為落地式、高架式，其中高架式圓形鋼筒倉(cāng)的應(yīng)用最為廣泛。高架式圓形鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)通常由倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、倉(cāng)頂、漏斗、立柱和環(huán)梁組成。由于在倉(cāng)裙、倉(cāng)壁及漏斗的相交處存在較大的來自于漏斗傳遞過來的環(huán)向壓力，容易使鋼筒倉(cāng)在相交處發(fā)生平面外屈曲破壞，因此通常在相交處設(shè)置一道環(huán)梁來抵抗相交處的破壞。基于以上原因，對(duì)環(huán)梁的穩(wěn)定承載力進(jìn)行深入研究非常必要。環(huán)梁通常分T型環(huán)梁與環(huán)板環(huán)梁2種。目前關(guān)于高架式圓形鋼筒倉(cāng)環(huán)梁的穩(wěn)定性問題，一方面，國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，如1983年Jumikis等[1]研究了環(huán)板環(huán)梁的彈性平面外屈曲問題;1987年Rotter[2]研究了環(huán)板環(huán)梁的平面外塑性屈曲問題;1991年Teng等[3]研究了環(huán)板環(huán)梁及T型環(huán)梁的塑性屈曲行為;1997年Teng等[4]提出了環(huán)板環(huán)梁的平面外塑性屈曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式;2000年Teng等[5]提出了T型環(huán)梁的平面外塑性屈曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式;2000年藤錦光等[6]總結(jié)了連接處環(huán)梁穩(wěn)定設(shè)計(jì)的一整套設(shè)計(jì)公式;2005年俞激[7]研究了柱支承鋼板倉(cāng)的穩(wěn)定性能和強(qiáng)度;2006年王小麗[8]研究了轉(zhuǎn)折環(huán)梁加強(qiáng)的柱支承鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)行為。另一方面，部分國(guó)家已頒布了關(guān)于鋼筒倉(cāng)的相關(guān)規(guī)范，如2007年歐洲的EN 1993-1-6：2007《Eurocode 3- Design of steel structures - Part 1-6： Strength and Stability of Shell Structures》[9]和EN 1993-4-1：2007《Eurocode 3- Design of steel structures - Part 4-1：Silos》[10]，2011年中國(guó)的GB 50322—2011《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]和2013年中國(guó)的GB 50884—2013《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》[12]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)分別提供了關(guān)于環(huán)梁穩(wěn)定性的計(jì)算，如文獻(xiàn)[11]中5.4.4條和文獻(xiàn)[12]中5.4.4條均已提供了在水平荷載作用下環(huán)梁的穩(wěn)定性的計(jì)算方法，但未針對(duì)不同類型的環(huán)梁給出不同的計(jì)算方法;文獻(xiàn)[10]中8.3.4條已提供了不同類型的環(huán)梁穩(wěn)定承載力計(jì)算方法，且文獻(xiàn)[10]中8.3.4.3條提供了環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法。

環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度是環(huán)板環(huán)梁的2個(gè)主要參數(shù)，為了進(jìn)一步研究其對(duì)環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的影響，以某項(xiàng)目圓形鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁為例，分別依據(jù)中國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范的計(jì)算方法，深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，比較分析中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范計(jì)算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

1" 歐洲規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中式8.32～8.37，環(huán)板環(huán)梁組合截面平面外穩(wěn)定承載力計(jì)算公式如下

σθcr=kE，

k=，

ηs=0.43+0.1，

ηc=0.5++，

ks=0.385+0.452，

kc=1.154+0.56，

式中：E為鋼材彈性模量;r為倉(cāng)壁的半徑;tc為倉(cāng)壁的厚度;ts為倉(cāng)裙的厚度;th為漏斗的厚度;tp為環(huán)板環(huán)梁的厚度;bp為環(huán)板環(huán)梁的寬度;ks為純簡(jiǎn)支約束時(shí)的穩(wěn)定系數(shù);kc為純固定約束時(shí)的穩(wěn)定系數(shù);k為半剛性約束時(shí)的穩(wěn)定系數(shù);ηs為純簡(jiǎn)支約束時(shí)的截面系數(shù);ηc為純固定約束時(shí)的截面系數(shù)。

歐洲規(guī)范的公式考慮了與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗）對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束，且按介于簡(jiǎn)支與固定之間的半剛性約束考慮，提供了環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣處于純簡(jiǎn)支約束與純固定約束時(shí)的分配系數(shù)計(jì)算。

令

cs=，cc=。

則文獻(xiàn)[10]中式8.33可以簡(jiǎn)化為以下公式

k=ks+kc=csks+cckc，

式中：cs為純簡(jiǎn)支約束時(shí)的分配系數(shù);cc為純固定約束時(shí)的分配系數(shù)。

2" 中國(guó)規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中式5.4.4，在水平荷載作用下，環(huán)梁的穩(wěn)定性計(jì)算公式為

Nm cosα≤Ncr=0.6，

式中：Nm為漏斗壁傳來的徑向拉力;E為鋼材彈性模量;Iy為環(huán)板環(huán)梁截面慣性矩;r為環(huán)板環(huán)梁半徑;Ncr為單位長(zhǎng)度環(huán)板環(huán)梁的臨界徑向壓力值。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中5.4.4條文說明，中國(guó)規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁的穩(wěn)定性計(jì)算公式是建立在圓弧拱分析基礎(chǔ)上，該計(jì)算方法未充分考慮與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗）對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束。然而實(shí)際上，環(huán)板環(huán)梁的穩(wěn)定承載力跟與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗）對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束有關(guān)，這種約束既不是純簡(jiǎn)支，也不是純固定，而是介于簡(jiǎn)支與固定之間的半剛性約束。因此，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力偏于保守，經(jīng)濟(jì)性較差。

3" 項(xiàng)目實(shí)例分析

3.1" 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目采用高架式圓形鋼筒倉(cāng)，其中倉(cāng)頂為水平倉(cāng)頂，倉(cāng)壁高度為5 m、半徑為2.5 m、厚度為10 mm，倉(cāng)裙高度為500 mm、厚度為10 mm，漏斗與水平面夾角為60°、底部半徑為0.5 m、厚度為8 mm，如圖1所示。環(huán)梁采用環(huán)板環(huán)梁，環(huán)板環(huán)梁計(jì)算采用組合截面，如圖2所示。鋼筒倉(cāng)材質(zhì)均為Q235B。

為了研究環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp這2個(gè)主要參數(shù)與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力之間的關(guān)系，針對(duì)以上項(xiàng)目的環(huán)板環(huán)梁組合截面，假定其中一個(gè)參數(shù)不變，選取另一個(gè)參數(shù)為變量，分別根據(jù)中國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范計(jì)算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

3.2" 環(huán)板環(huán)梁厚度研究

為了進(jìn)一步深入研究環(huán)板環(huán)梁厚度tp與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，假定環(huán)板環(huán)梁寬度bp不變，選取環(huán)板環(huán)梁厚度tp作為變量，分別根據(jù)中國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范計(jì)算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。具體取值如下。

已知環(huán)板環(huán)梁寬度bp為250 mm，分別選取環(huán)板環(huán)梁厚度tp為10、12、14、16和18 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[10]計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，見表1。

將表1的數(shù)據(jù)制成對(duì)比圖，如圖3所示。

由表1和圖3可知，按歐洲規(guī)范計(jì)算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力遠(yuǎn)大于按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的計(jì)算值，二者比值在9.80～16.78之間。對(duì)于已知的鋼筒倉(cāng)，當(dāng)環(huán)板環(huán)梁寬度bp已定時(shí)，按照2種規(guī)范計(jì)算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力均隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而增大，其中按中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而稍有增大，而按歐洲規(guī)范的計(jì)算值隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而顯著增大。在進(jìn)行圓形鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁截面設(shè)計(jì)時(shí)，若按歐洲規(guī)范計(jì)算，宜優(yōu)先選取較大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的截面;若按中國(guó)規(guī)范計(jì)算，不宜采用增大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的方法來提高環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力。

3.3" 環(huán)板環(huán)梁寬度研究

為了進(jìn)一步深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度與環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力的關(guān)系，假定環(huán)板環(huán)梁厚度tp不變，選取環(huán)板環(huán)梁寬度bp作為變量，分別根據(jù)中國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范計(jì)算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。具體取值如下。

已知環(huán)板環(huán)梁厚度tp為10 mm，分別選取環(huán)板環(huán)梁寬度bp為200、225、250、275和300 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[10]計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，見表2。

將表2的數(shù)據(jù)制成對(duì)比圖，如圖4所示。

由表2和圖4可知，按歐洲規(guī)范計(jì)算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力遠(yuǎn)大于按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的計(jì)算值，二者比值在4.33～26.41之間。對(duì)于已知的鋼筒倉(cāng)，當(dāng)環(huán)板環(huán)梁厚度tp已定時(shí)，按中國(guó)規(guī)范的計(jì)算值隨環(huán)板環(huán)梁寬度bp增加而稍有增大，而按歐洲規(guī)范的計(jì)算值隨環(huán)板環(huán)梁寬度bp增加而顯著減小。在進(jìn)行圓形鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁截面設(shè)計(jì)時(shí)，若按歐洲規(guī)范計(jì)算，需優(yōu)先選取較小環(huán)板環(huán)梁寬度bp的截面;若按中國(guó)規(guī)范計(jì)算，需優(yōu)先選取較大環(huán)板環(huán)梁寬度bp的截面。

4" 結(jié)束語(yǔ)

1）中國(guó)規(guī)范關(guān)于鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計(jì)算是建立在圓弧拱分析基礎(chǔ)上，未充分考慮與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗）對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束，而歐洲規(guī)范考慮了與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗）對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的半剛性約束，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力計(jì)算值與實(shí)際不符，該計(jì)算方法相對(duì)保守。

2）通過項(xiàng)目實(shí)例分析，按歐洲規(guī)范計(jì)算的圓形鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力遠(yuǎn)大于按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的計(jì)算值，對(duì)于已知的鋼筒倉(cāng)，當(dāng)環(huán)板環(huán)梁寬度已定、環(huán)板環(huán)梁厚度不同時(shí)，2種規(guī)范計(jì)算結(jié)果的比值在9.80～16.78之間，當(dāng)環(huán)板環(huán)梁厚度已定、環(huán)板環(huán)梁寬度不同時(shí)，2種規(guī)范計(jì)算結(jié)果的比值在4.33～26.41之間。

3）關(guān)于鋼筒倉(cāng)環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力的穩(wěn)定系數(shù)，建議按公式k=csks+cckc計(jì)算，考慮到工程實(shí)際項(xiàng)目中環(huán)板環(huán)梁厚度不小于與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元的厚度，當(dāng)環(huán)板環(huán)梁厚度與倉(cāng)壁厚度、倉(cāng)裙厚度、漏斗厚度均相等時(shí)，與環(huán)板環(huán)梁相鄰的倉(cāng)壁、倉(cāng)裙、漏斗對(duì)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束作用最顯著，規(guī)定此時(shí)環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣簡(jiǎn)支時(shí)分配系數(shù)cs達(dá)到最小值0.2，環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣固定時(shí)分配系數(shù)cc達(dá)到最大值0.8，即0.2≤cslt;1，0lt;cc≤0.8，且cs+cc=1，環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣處于純簡(jiǎn)支與純固定約束時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)ks、kc分別按文獻(xiàn)[10]的規(guī)定取值。

4）在按中國(guó)規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力時(shí)，環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp均對(duì)環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力不敏感，在實(shí)際工程中可優(yōu)先通過增大環(huán)板環(huán)梁寬度bp的方式來提高環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力。

5）在按歐洲規(guī)范計(jì)算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力時(shí)，環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp均對(duì)環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力較敏感，在實(shí)際工程中可通過減小環(huán)板環(huán)梁寬度bp及增大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的方式來提高環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力。

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第一作者簡(jiǎn)介：李振興（1984-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣こ添?xiàng)目管理。