关于钢筒仓设计两个关键问题的探讨

郝 杰，胡 亮

（太原理工大学，山西 太原 030024）

1 概述

钢筒仓结构广泛用于农业、矿业、化工、电力等诸多领域中，而且1985年澳大利亚一项对金属结构研究需求的调研表明“筒仓”为仅次于“房屋”的急需研究的对象。但圆形钢筒仓作为一种组合的旋转薄壳结构,其复杂的结构性能加上不合理的设计准则导致了许多钢筒仓的结构破坏。即使在欧美等国对钢筒仓理论研究较为深入、设计规范相对完善的国家，也经常有钢筒仓结构破坏的报道。

长期以来钢筒仓结构的研究和设计主要围绕两个问题：①如何确定仓内储料对仓壁产生的荷载；②筒仓仓壁在竖向摩擦力和水平压力作用下的稳定性设计。我国于2001年颁布的《粮食钢板筒仓设计规范》对促进钢筒仓的发展产生了巨大的作用。文章以我国新出版的《粮食钢板筒仓设计规范》为基础, 探讨了储料荷载的取值和钢筒仓的稳定设计。详细比较了我国规范在储料荷载计算和稳定设计方面与国外同类规范的异同。规范比较和参数分析表明了我国规范在诸多方面有着自己的特色。

2 静态荷载计算比较

2.1 侧压力系数与储料物理数取值比较

根据装料口位置与钢筒仓轴线的关系，筒仓装料可分为中心装料和偏心装料。中国、美国和德国规范仅考虑中心装料，而澳大利亚规范和欧洲规范同时考虑中心装料和偏心装料。

计算静态荷载时的主要变量为侧压力系数（k）和储料的物理特性参数（包括储料的重力密度γ、储料的内摩擦角Φ和储料与仓壁间的摩擦系数μ，各国规范对常见储料都给出了储料的物理特性参数，但对储料的物理特性参数的变异性有不同的处理方法。用重力密度计算静态荷载时各国规范都取上限值。对储料的内摩擦角和储料与仓壁间的摩擦系数，中国、美国和德国规范不单独考虑它们的变异性，每一种储料对应一组固定的（Φ，μ）。

澳大利亚规范给出了Φ和μ的上、下限值，而欧洲规范同时给出变化范围和平均值（Φm，μm）。因此，在澳大利亚规范、欧洲规范和ISO规范中，根据Φm和μm的不同组合，静态荷载可分为两种工况，这是与中国规范的一个重大区别。中国规范不考虑工况的组合，见表1。

表1 荷载工况定义

表1同时列出了对应的物理特性参数取值。在下面的讨论中，对澳大利亚规范、欧洲规范和ISO仓壁荷载限于工况1。表2则比较了6套规范对常见储料(小麦)的物理特性参数。对澳大利亚规范、欧洲规范和ISO规范中储料与仓壁间的摩擦系数产同仓壁的光滑度有关，表2计算中假定筒仓由结构用碳素钢板焊接而成，表面一般性光滑。对于我国的规范，没有考虑光滑度的概念。在中国的《粮食钢板筒仓设计规范》中，只是简单地区分了主要散料对于混凝土和对于钢板的不同摩擦力系数。

表2 储料物理特性参数和侧压力系数比较（储料：小麦）

从表2可以看出不同国家对于同一种储料的参数取值有不小的差异。对于重力密度，我国和美国规范的取值相对较小，比最大的规范给出的值小了将近11%。对于摩擦系数，德国给出的值为0.25，不到澳大利亚规范（0.577）的50%。我国规范和美国规范的取值总体来讲比较小。对于侧摩擦力系数，我国规范取值最小，为0.333，只有最大值（ISO取值为0.69）的48.3%。

需要注意的几点是：

（1）中国、美国和德国规范不单独考虑储料的变异性，对于一种特定储料，给出一组固定的参数，而澳大利亚，欧洲规范和ISO给出了不同工况组合。显然给出不同工况组合比较合理。因为有时候对于某种特定的破坏模式,要用适当的上限或下限值求得最不利的仓壁压力。例如在验算仓壁在轴向压力下的屈曲强度时,需用可能的轴向压力的最大值以及可靠内压的最小值。

（2）对于某一特定储料的摩擦力系数，我国规范只简单区分了对混凝土板和钢板的摩擦力系数不同，而澳大利亚、欧洲规范和ISO规范规定储料与仓壁间的摩擦力系数同仓壁的光滑度有关。因为虽然都是钢板筒仓，不同厂家生产的筒仓其光滑度必然有不同，因此这样做是合理的。从我国规范给出的摩擦力系数看，不同规范间的摩擦力系数相差就不大，如果对于同一种储料再区分不同摩擦力系数，显然差别也不会很大。但如果我国规范能在这点上作出说明，对筒仓生产所用的钢材特性给出参数说明，就更严密了。

（3）侧压力系数直接与竖向水摩擦力的计算有关，我国规范给出的竖向摩擦力系数最小，这直接导致在下面的计算比较中我国的竖向摩擦力计算偏小，从设计角度来讲，这是经济的，但也是对安全不利的。

2.2 水平内压和竖向摩擦力计算比较

除了与其他结构相同的常规外荷载之外,筒仓结构还承受由所储存散料引起的内压及仓壁摩擦力。实际经验表明，钢筒仓结构的破坏大部分都是竖向摩擦力作用下导致的筒仓的屈曲破坏。因此散料荷载往往是筒仓结构中的主要荷载。筒仓设计中最主要的一个工作就是确定储料的荷载作用。筒仓储料主要产生水平内压和竖向摩擦力，①竖向摩擦力是由水平内压产生的；②虽然竖向摩擦力是导致筒仓破坏的直接原因，但内压的存在对于筒仓的破坏又有重大而复杂的影响。事实上关于内压下筒仓的破坏已经是一个研究热点，这就导致筒仓荷载的确定和稳定计算方法的选择比较复杂。

储料产生的竖向摩擦力可使筒仓仓壁失稳，而水平内压力可提高结构的稳定性。充分利用内压有利作用的前提条件是保证仓壁稳定设计截面处内压始终存在。中国、美国、欧洲规范和IOS直接利用表2给出的参数计算竖向摩擦力和水平内压力，然后进行仓壁稳定性设计。

为结构安全计，澳大利亚规范通过减少水平内压来降低水平内压力的有利作用，对装料阶段和中心卸料阶段，内压降幅为20%。德国规范在仓壁稳定性设计时同时增大仓壁竖向摩擦力和减少水平内压，增幅和降幅分别为10%和67%。图1比较了竖向摩擦力和水平内压沿仓壁高度的变化。筒仓直径D假定为20 m，高度H为40 m。（按中国规范属于深仓，按深仓计算公式计算）。

图1 水平压力沿随计算高度的变化

图2 竖向摩擦力随计算高度的变化

从图2可知，各国规范给出的荷载差别很大，对于水平压力值，欧洲规范给出的最大，德国规范给出的最小，比如在计算深度为1 m的时候，德国规范计算出的水平压力为15.395 4 kPa，而欧洲规范计算出的水平压力为46.158 26 kPa，比德国规范的3倍还多。而到了计算深度为40 m的时候，德国规范的水平压力为41.509 06 kPa。欧洲规范为107.702 3 kPa，比德国规范的2倍还多。这是由于德国规范人为地把按Janssen公式计算出来的水平压力折减了67%。

由于内压是对筒仓的稳定有利的，德国规范对水平压力的折减幅度最大，于是设计保守了。而欧洲规范相对来说设计比较经济。我国规范总体来说，比大部分的同类规范计算的值要低，对设计来说是比较保守的。

对于竖向摩擦力，澳大利亚规范给出的最大，我国规范给出的最小。在计算深度为1 m时，澳大利亚规范计算出的竖向摩擦力24.4 kPa，中国规范给计算出的竖向摩擦力为7.2，不到德国规范的30%。在计算深度为40 m处，澳大利亚规范计算出的竖向摩擦力43.03kPa，而中国规范计算出的紧身摩擦力只有22.01kPa，约为澳大利亚规范的50%左右。而竖向摩擦力的大小直接和筒仓和稳定承载力有关，从这一点来说，澳大利亚规范的设计比较保守，我国的设计相对比较经济。当然这是建立在各国所取的储料参数（Φ，μ）不同和各国的折减系数不同的基础之上。

需要说明的一点是：水平内压对钢筒仓的结构行为具有双重性。①弹性屈曲应力随着内压的增大而逐步提高；②当内压到达一定值后，筒仓由弹性失稳转变为弹塑性失稳，底部发生“象脚式”屈曲，承载力不但低于弹性屈曲应力而且随着内压的增大逐步降低。中国规范考虑了内压的有利作用，即在计算稳定承载力里，区分有内压和无内压时的稳定系数。而欧洲规范则有详细的计算，并且区分了弹性和弹塑性破坏。

3 结论

文章介绍了国外钢筒仓储料荷载规范，并同我国《粮食钢板筒仓设计规范》进行了比较。结果表明，我国规范只考虑中心装料和中心卸料，而没有涉及偏心装料和偏心卸料。对中心卸料，我国规范给出的竖向摩擦力最小，筒仓底部摩擦力还不到澳大利亚规范值的一半，而我国的储料水平压力修正系数却明显比国外同类规范大。对常见筒仓尺寸（H/D=2）和常见储料（小麦），最大差别为54%（同欧洲规范比较），最小为33%（同澳大利亚规范比较）。同时，储料水平压力修正系数Ch的分布存在不合理的因素，如在S＞hn/3时，统一取Ch=2就缺少理论解释。另一方面，工程实践表明偏心卸料是引起结构破坏的主要原因。即使对中心卸料的筒仓，由于卸料时储料的离析（Segregation）作用，水平压力分布周向不均匀，导致筒仓仓壁偏心受载，因此迫切需要在储料计算和仓壁结构计算时考虑不均匀水平压力分布的影响。我国规范在这一方面还有很大的完善空间。

总体来说，我国的筒仓规范有自己的特色，体现了设计的可靠性和先进性，对于常用尺寸筒仓能满足设计要求，同样也有值得进一步完善的地方。

[1]GB 50322—2001.粮食钢板筒仓设计规范[S].北京：中国计划出版社出版，2001.

[2]贮仓结构设计编写组.贮仓结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3]张家康，黄文萃.筒仓领料压力计算的理论与方法[J].土木工程学报，2000，35（5）：24—28.

[4]腾锦光，赵阳.大型钢筒仓的结构行为与研究[J].土木工程学报，2001（4）.