鋼板倉的研究與應(yīng)用綜述

陳 靜，雷秋平

（蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速騰飛，國家和人民越來越注重節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)效率。鋼板倉以可回收的鋼材作為建筑材料，其設(shè)計解決了大儲量粉粒料物品的儲存安全問題。如出庫效率低、邊部存料多以及無法維修等問題[1]。鋼板倉不但具有自重輕、強度高、建造速度快、對環(huán)境污染較小、造價低等優(yōu)點，且抗震性能優(yōu)越，其內(nèi)儲料起到阻尼作用，可有效耗散地震能量，增加結(jié)構(gòu)的安全性。同時，使用期限長，可實現(xiàn)自動化控制，符合國家低碳環(huán)保的發(fā)展要求，鋼板倉在糧油、農(nóng)業(yè)、食品、化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。

2011 年，我國頒布了《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》（GB 50322—2011）[3]以及《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》（GB 50077—2013）[4]，對我國鋼板倉的設(shè)計和施工起到了重要的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。鋼板倉是一種薄殼結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)實生活應(yīng)用中，受力性能及破壞準(zhǔn)則都極其復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者對筒倉結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論分析和試驗研究，但其失效率仍高于其他結(jié)構(gòu)。筒倉結(jié)構(gòu)的失效將導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，造成經(jīng)濟損失、環(huán)境污染甚至對人們的生命造成威脅[5]。因此，對于鋼板倉的研究不能滿足實際工程應(yīng)用的需要，還存在許多亟待解決的問題。

1 筒倉結(jié)構(gòu)的分類及特點

筒倉結(jié)構(gòu)是一種特種結(jié)構(gòu)，其分類可采用多種標(biāo)準(zhǔn)。如平面形狀、材料組成、施工工藝、使用功能、結(jié)構(gòu)形式以及計算方法等[6]。

根據(jù)平面形狀，筒倉可分為圓形倉、多角形倉和方形倉。考慮到受力性能、存儲量以及經(jīng)濟性等因素，目前圓形筒倉是應(yīng)用最廣泛的一種形式。

根據(jù)材料組成，分為鋼板倉、鋼筋混凝土倉、木筒倉和磚筒倉。木筒倉制作容易且拼裝簡單，應(yīng)用較早，但其所能承受的壓力較小，容量有限。磚筒倉原材料豐富、經(jīng)濟性好，但其抗拉強度和抗剪強度較低，發(fā)展受到限制。現(xiàn)階段使用較為廣泛的是鋼板倉和鋼筋混凝土筒倉，由于鋼筋混凝土筒倉的自重太大，回收率低等原因，鋼板筒倉無疑是最優(yōu)選擇。鋼板筒倉的自重小、施工周期短、強度高、回收利用率較高且機械化程度高等優(yōu)點受到廣泛青睞。

根據(jù)施工工藝，鋼筋混凝土筒倉可分為工廠預(yù)制裝配式筒倉和現(xiàn)澆式筒倉。按倉壁的截面形式，鋼板倉可分為波紋鋼板筒倉、螺旋卷邊板筒倉和肋型鋼板筒倉。

根據(jù)使用功能，可分為農(nóng)業(yè)筒倉和工業(yè)筒倉。農(nóng)業(yè)筒倉用來儲存谷物等粒狀物，工業(yè)筒倉用來儲存粉煤灰、石油等粉狀物或液狀物。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可分為高架式筒倉和落地式筒倉。高架式筒倉在裝卸料及使用過程中優(yōu)勢較大，但其儲存量較小且受力復(fù)雜。落地式筒倉可有較大的直徑，在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用。

根據(jù)計算方法，可分為深倉和淺倉。當(dāng)倉內(nèi)儲物計算高度與筒倉直徑或?qū)挾鹊谋戎敌∮?.5 時為淺倉，反之為深倉。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外專家及學(xué)者對于鋼板倉的研究開始較早，并獲得了較為顯著的成果。1895 年，德國著名工程師Janssen[7]以靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)靜力平衡條件和微積分法提出了靜態(tài)水平側(cè)壓力和豎向壓力的理論公式，是目前許多國家編制筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計建造規(guī)范的重要依據(jù)。1897 年，Airy[8]考慮儲料與倉壁的摩擦力，并結(jié)合擋土墻滑動楔體的平衡方法，對筒倉進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1985 年Rotter 等[9-11]利用有限元軟件模擬鋼筒倉的缺陷問題，使得鋼板倉的有限元分析缺陷理論有了一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1901 年前后，Timoshenko 等[12]提出了薄殼屈曲應(yīng)力的理論計算公式，但承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比吻合度較差，主要原因是自身缺陷所引起，并引起了許多學(xué)者對薄殼結(jié)構(gòu)整體承載力影響研究的興趣。Ayuga 等[13]利用ANSYS 分析了不同卸料模式下筒倉的側(cè)壓力變化，而且研究了偏心卸料模式對筒倉側(cè)壓力的影響。2007 年，Krasovsky 等[14]采用理論分析和試驗研究相結(jié)合的方法，對軸向壓力作用下縱向加筋圓柱殼的局部屈曲及整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明局部波動所引起的側(cè)向變形對整體穩(wěn)定性有明顯的影響。Gallego 等[15]建立了有限元模型，并根據(jù)薄殼理論，對波紋鋼筒倉在荷載作用下的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明焊接筒倉的歐洲規(guī)范中規(guī)定的荷載位置可能存在明顯差異。Wang Xuewen 等[16]建立了顆粒材料與落地式鋼筒倉近接觸、滑動接觸和粘著接觸三種形式的靜接觸有限元模型，研究了不同顆粒材料平底鋼筒倉的靜態(tài)接觸狀態(tài)。結(jié)果表明，顆粒材料的力學(xué)性能和筒倉設(shè)計對顆粒材料與筒倉界面的接觸狀態(tài)有顯著影響。Pravin Jagtap 等[17]通過建立顆粒料倉有限元模型，研究了地震地面加速度作用下，鋼筒倉在不同深度處顆粒材料的水平和垂直位移，數(shù)值模擬結(jié)果與Janssen理論得到的解析一致。Arash Raeesi 等[18]研究了薄壁筒倉在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能并建立了有限元模型。研究表明，風(fēng)環(huán)顯著提高了筒倉的屈曲強度，現(xiàn)場筒倉試件的臨界屈曲強度大幅提高。Alireza 等[19]采用增量動力分析法研究了水平基礎(chǔ)激勵下鋼筒倉的動力屈曲行為，計算了屈曲時刻的臨界基底剪力、基底彎矩和峰值地面加速度。結(jié)果表明，在相同的地震條件下，細(xì)長筒倉更易發(fā)生屈曲破壞，而淺圓筒倉則表現(xiàn)出較高的抗震性能。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在21 世紀(jì)前，主要使用的是鋼筋混凝土筒倉，且技術(shù)相對成熟。但對于鋼筒倉的研究起步較晚且應(yīng)用較少。隨著鋼板倉在國內(nèi)迅速發(fā)展，許多學(xué)者對鋼筒倉進(jìn)行了研究。2001 年，我國頒布實施《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》（GB 50322—2001）[20]，并于2011 年對其進(jìn)行修訂，對鋼筒倉的研究、設(shè)計及施工起到了極大的促進(jìn)作用。同年，趙陽等[21]總結(jié)并分析了大型鋼板倉的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計方法，確定了鋼筒倉的結(jié)構(gòu)形式與儲料荷載的方法，并對其主要破壞模式進(jìn)行了總結(jié)。2004年，林翔[22]基于現(xiàn)有歐洲規(guī)范和已有的圓柱殼相關(guān)資料，分析了鋼筒倉軸壓承載力的確定方法，積極推動了我國鋼筒倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2005 年，Teng[23]采用有限元法對筒倉的承載穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。2006 年，趙陽等[24]等利用ANSYS 有限元分析軟件，從徑厚比、支柱伸入筒倉高度、支柱寬度等幾個變量分析了鋼筒倉的強度及穩(wěn)定性。結(jié)果表明，對鋼筒倉結(jié)構(gòu)的屈曲影響較為明顯的原因包括徑厚比以及支柱伸入高度。2008 年，袁海龍[25]根據(jù)鋼筒倉的本身構(gòu)造特點，并考慮變量包括糧食荷載、倉壁換算厚度值、參數(shù)選取等，總結(jié)并分析了鋼筒倉的穩(wěn)定性。2013 年我國頒布實施《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》（GB 50077—2013）[4]，對鋼筒倉在各行各業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。同年，劉鴻勝[26]以大型落地式鋼筒倉為研究對象，采用線性應(yīng)力分析和非線性屈曲的方法，分析了在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明，當(dāng)外形尺寸一樣時，筒倉屈曲強度主要取決于倉壁厚度，且隨著筒倉內(nèi)儲料高度的增加，筒倉的穩(wěn)定性也逐漸升高。2016 年，曹慶帥[27]為研究幾何、材料非線性及結(jié)構(gòu)的初始缺陷對變形的影響，分別對鋼筒倉進(jìn)行了線性和非線性分析。結(jié)果表明，風(fēng)荷載對滿倉時的深倉結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)影響最大，空倉的鋼筒倉倉壁頂部變形較大。2017 年，馬越[28]采用理論分析和數(shù)值模擬方法，分析并研究了落地式鋼筒倉在溫度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提出鋼筒倉在設(shè)計中應(yīng)合理考慮溫度作用，提供了一定的理論基礎(chǔ)及參考。2018 年，景杰婧[29]基于某不均勻支承的高聳煤粉鋼筒倉，分析了在靜態(tài)貯料和動態(tài)卸料情況下貯料壓力分布情況以及倉下支承結(jié)構(gòu)對貯料壓力分布的影響。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)折連接附近貯料壓力沿周向分布不均，且動態(tài)卸料對貯料側(cè)壓力影響較大。2019 年，陳東兆等[30]結(jié)合筒倉實例，基于有限元軟件ABAQUS，對筒倉結(jié)構(gòu)在糧食荷載作用下進(jìn)行了線彈性分析和非線性分析。結(jié)果表明，裝配式波紋鋼板筒倉的穩(wěn)定性能與豎向加勁肋是否屈曲相關(guān)。

3 研究的關(guān)鍵及難題

3.1 儲料荷載

綜上所述，國內(nèi)外對于鋼筒倉的研究尚不全面。貯料壓力分布是研究筒倉結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。任何材料制作的筒倉結(jié)構(gòu)，儲料對倉壁的作用機制基本相同，但到目前為止對于筒倉儲料對倉壁的作用機制尚未完全明晰。Janssen 公式的兩個假定不考慮倉底對儲料壓力的影響，并且將儲料視為不可壓縮的理想散粒體。一般儲料的壓縮性都很強，還可能伴隨塑性發(fā)展，且實際工程中的受力情況更為復(fù)雜，而國內(nèi)相關(guān)規(guī)范計算倉壁靜態(tài)側(cè)壓時多直接采用Janssen 公式，這對于筒倉結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工還存在不足。

3.2 初始缺陷

鋼筒倉在生產(chǎn)施工時可能存在一定的初始缺陷，這些缺陷對于結(jié)構(gòu)的分析是難以把控的。因此，在對筒倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計時，應(yīng)考慮初始缺陷的隨機分布。由于初始缺陷難以確定，目前的研究未將結(jié)構(gòu)的初始缺陷考慮在內(nèi)。

4 結(jié)語

通過學(xué)者們的研究不難發(fā)現(xiàn)，鋼板倉在各方面性能優(yōu)越，符合國家綠色環(huán)保的發(fā)展要求。

目前對于筒倉結(jié)構(gòu)的研究雖已取得大量成果，但尚不全面，也不夠深入。鋼板倉屬于薄殼結(jié)構(gòu)，薄殼對于初始缺陷較為敏感，實際承載力往往低于理論計算值。在進(jìn)行荷載計算時，應(yīng)考慮初始缺陷對筒倉結(jié)構(gòu)承載力的影響。目前較多采用折減系數(shù)，但多依據(jù)經(jīng)驗取值，理論分析尚顯不足。因此，有必要對結(jié)構(gòu)的初始缺陷進(jìn)行深入研究，使其能夠真實地反映結(jié)構(gòu)的工作性能。另外，對筒倉結(jié)構(gòu)儲料之間以及儲料與倉壁之間的摩擦減少地震所產(chǎn)生能量的機制分析，也是一個值得研究的方向。