某攪拌站鋼倉倒塌事故的技術(shù)分析與總結(jié)

賀建邦

1 倉體概況

本倉位于某混凝土攪拌站,根據(jù)現(xiàn)場實際勘測,水泥罐直徑為3.2 m,罐身長10.5 m,錐體高2.4 m,罐身總高 12.9 m,罐體壁厚上部 2.8 mm,下部3.0 mm,錐體壁厚4.6 mm,下層支柱為φ 215.92 mm×3.4 mm,長度 L=3.700 m,上層立柱為φ 215.92 mm×3.4 mm,橫桿及斜支撐均為φ 88.22 mm×2.44 mm。

2 荷載計算

根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),繪出鋼倉的理論尺寸模型,如圖1所示。

1)倉自重。

倉體:

2)活載計算。

a.水泥荷載。

水泥體積:柱體:πr2h=3.14×1.597 22×10.5=84.1 m3。

合計:∑Vi=84.1+6.41=90.51 m3。

由荷載規(guī)范,散裝水泥重度γ=14.5 kN/m3[1]。

滿載時水泥重量:γ V=14.5×90.51=1 312.4 kN。

b.積灰荷載。

按有灰源考慮:πr2q=3.14×1.62×1=8 kN。

因為發(fā)生事故時并未出現(xiàn)下雪情況,故未考慮雪荷載。

3)風(fēng)荷載。

按基本風(fēng)壓 ω0=0.4 kN/m2,由荷載規(guī)范可知體形系數(shù)為0.5,則下柱在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的軸向壓力標準值為:

3.2×10.5×0.5×0.4×[(5.25+2.7)/2]/2.26=11.8 kN。

3 承載力驗算

3.1 下支柱的穩(wěn)定驗算

根據(jù)糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范[2]可知,下支柱的承載力須達到的設(shè)計值為:

1.2×29.35/4+1.3×1 312/4+0.6×11.8=442.3 kN。

實測長度L=3.700 m,下端支柱理論屬于無側(cè)移支柱,上端K1=0,下端由于存在支撐橫桿,K2=0.05,由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附表D-1可知:

在理想狀態(tài)下,μ=0.99。

l0=μl=3.663 m,立柱 i=75.14 mm,A=2 270 mm2。

長細比:

由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附表C-2,b類截面知,φ=0.862。

由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范5.1.2條知,下柱的穩(wěn)定承載力為:

N=φAf=0.862×2 270×215=420.7 kN＜442.3 kN。

若允許5%的誤差范圍,則420.7×1.05=441.7 kN＜442.3 kN,仍然不能滿足要求,但考慮到本倉體上部無側(cè)向支撐,其立柱實際計算長度必定大于l0=μ l=3.663 m,故下柱的穩(wěn)定承載力也必定達不到419.7 kN,因此穩(wěn)定承載力就更小于442.3 kN。可以得出下立柱的承載力不足。

3.2 上支柱的穩(wěn)定驗算

上柱的實測長度為 L=2.700 m,由于上段支柱側(cè)向沒有支撐,屬于有側(cè)移支柱,K1=0.05,K2=0.05,由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄 D-2可知,μ=4.16。

由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范5.1.2條知,上柱的穩(wěn)定承載力為:

N=φ Af=0.330×2 270×215=161.1 kN?442.3 kN。

由于承載力太小,遠達不到設(shè)計所需要的承載力,可以斷定在下柱屈曲之前,上柱就會失穩(wěn)。

3.3 倉壁環(huán)向拉力的驗算

由糧食鋼板倉設(shè)計規(guī)范4.2.2.1條,S=10.5 m時,

則,Ph=1.859×28.25=52.52 kN/m。

取單位米寬度,計算水平拉力:

N=RPh=1.6×52.52=84.03 kN。

σt=84.03×103/(1 000×3.0)=28.0 N/mm2＜215 N/mm2。

倉壁環(huán)向拉力滿足要求。

3.4 倉壁豎向壓力的計算

水泥作用于倉壁單位周長上的總摩擦力標準值Pfk。

設(shè)計值:qv=1.2qgk+1.3Cfqfk+1.4×0.6qwk=80.5 kN。

σc=80.5×103/(1 000×3.0)=26.8 N/mm2＜215 N/mm2。

倉壁豎向壓力滿足要求。

3.5 折算應(yīng)力

根據(jù)糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范5.4.1條知,折算應(yīng)力為:

可以看出,倉壁折算應(yīng)力滿足要求。

參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的構(gòu)造要求8.1.2,受力構(gòu)件不宜采用厚度小于4 mm的鋼板。本鋼板倉厚度2.8 mm,處于不宜采用的范圍。

4 結(jié)語

1)由于上柱的穩(wěn)定承載力不足造成上柱率先失穩(wěn),從而造成整個水泥筒倉的倒塌;2)下支柱的穩(wěn)定承載力也不能滿足設(shè)計要求,但考慮到上下柱的承載力的差別,可以得出,下柱還未達到失穩(wěn)臨界值,筒倉已經(jīng)倒塌;3)其他部分承載力都能滿足設(shè)計要求。

5 建議

1)嚴格按照規(guī)范設(shè)計。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范8.1條中規(guī)定,受力構(gòu)件不宜采用厚度小于4 mm的鋼板,壁厚小于3 mm的鋼管,而在本案例中這樣的“不宜”都出現(xiàn)了。2)型材不要采用國標之外的規(guī)格。非標構(gòu)件厚薄不均,質(zhì)量參差不齊,很難保證設(shè)計要求的強度,節(jié)省材料是在安全的前提下來實現(xiàn)的。3)要采用必要的構(gòu)造措施,根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可知,在同樣的前提下,有側(cè)移框架和無側(cè)移框架承載力差別較大,因此在條件許可情況下,優(yōu)先采用無側(cè)移的形式。

[1] GB 50009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50322-2001,糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 夏海霞,韓章良.鋼桁架結(jié)構(gòu)計算[J].山西建筑,2009,35(5):84-85.

[4] GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].