料仓结构设计中的贮料压力计算分析

刘大同,张宝魁,李 斌

(1.长江勘测规划设计研究院,河北武汉 430010;2.河北工业大学土木工程学院,天津 300132)

料仓结构设计中的贮料压力计算分析

刘大同1,张宝魁2,李 斌1

(1.长江勘测规划设计研究院,河北武汉 430010;2.河北工业大学土木工程学院,天津 300132)

料仓贮料压力计算是料仓结构设计中的重要一环,其计算方式分为深仓和浅仓两种。本文通过具体算例分析,对钢筋混凝土料仓和钢料仓在贮料压力计算中应注意的压力复核问题进行了总结,提出了较实用的解决办法。

料仓;贮料压力;深仓;浅仓;压力复核

在水利水电工程施工设施中,料仓(又称筒仓或储仓)被广泛的用来作为卸料、受料、配料和贮料的设施[1],主要包括胶凝材料罐、生产车间和装车台等。在料仓结构设计中,贮料压力分析是进行内力计算和设计成果复核的前提保证。《钢筋混凝土料仓设计规范GB 50077-2003》(简称《筒规》)基于“散体理论”,提出的仓类型划分和与其对应之贮料压力计算规定是进行料仓设计的主要依据。

1 贮料水平压力的计算与复核

在进行贮料压力计算和仓体应力分析前,必须先确认所设计的料仓是浅仓还是深仓。《筒规》1.0.3条规定:“当料仓内贮料计算高度hn与圆形料仓内径dn或与矩形料仓的短边bn之比大于或等于1.5时为深仓,小于1.5时为浅仓”。2.1.9条规定:“按仓壁高度及作用于仓壁的侧压力计算方法划分为深仓和浅仓”。从这两条规定可以得知:深仓、浅仓仓壁的侧压力应按不同计算方法计算;深仓和浅仓的判定与贮料计算高度hn和料仓内径dn或短边bn之比有关。

深、浅仓是料仓设计中的两种工况,其主要不同是:按深仓设计时需要考虑贮料对仓壁竖向摩擦力pf的作用,而按浅仓设计时偏于安全不考虑其作用。在料仓贮料水平压力的计算中,当h/dn(bn)小于1.5时(h为仓壁高度),料仓不可能出现深仓工况,只需按《筒规》规定的浅仓模式计算。当hn/dn(bn)=1.5时按《筒规》4.2.6条第2款规定:“尚应按4.2.2-1式计算贮料压力,二者计算结果取大值”。其含义是:在hn/dn(bn)处于分界值1.5时,是深、浅仓工况的过渡阶段,应分别按深、浅仓公式计算水平贮料压力。在工程设计实践中,此时有可能出现深仓工况下仓壁水平压力计算值比浅仓工况大的情况。以dn=6 m的水泥料仓为例,水泥密度V=16 kN/m3,内摩擦角h=30°,水平压力修正系数Ch=2.0,竖向压力修正系数Cv=2.0(钢料仓)或1.4(钢筋混凝土料仓),摩擦系数_=0.3(钢料仓)或0.58(钢筋混凝土料仓),按深仓计算的仓壁水平压力值记为pv1,按浅仓计算的仓壁水平压力值记为pv2,计算结果见表1、表2。

表1 钢料仓不同贮料计算高度对应的水平压力计算结果

表2 钢筋混凝土料仓不同贮料计算高度对应的水平压力计算结果

由计算结果可知两种工况的ph比值约在1.18～1.56之间,即按深仓计算的仓壁水平压力值为按浅仓计算的仓壁水平压力值的1.18～1.56倍。当h/dn(bn)大于1.5时,hn可以是0～h之间的任意数值(假定贮料顶面水平),两种工况客观上会交替出现,比如空仓、半满、满仓。多数情况下,仓壁水平压力按照深仓工况计算比浅仓工况不利。经有限元分析,仓壁水平压力不但与贮料的内摩擦角h及摩擦系数_有关,还与贮料的泊松比有关[3]。《筒规》规定浅仓“当hn≥15 m且dn≥12 m时,仍需按深仓验算”[2]。在工程设计实践中,当h/dn(bn)大于1.5时,建议对hn/dn(bn)处于1.5左右的仓壁水平压力值分别按深仓和浅仓工况进行计算,并取其不利结果作为内力分析和设计成果复核的依据。

2 贮料竖向压力的计算

贮料竖向压力由于仓壁竖向摩擦力pf的参与使得其计算有些复杂。料仓在装料的过程中,经历hn=0到hn=1.5到hn=h这两个阶段。在整个过程中仓底贮料竖向压力和仓壁竖向摩擦力都在逐渐增大,其值应保持连续并且不会出现突变,只是在不同阶段其数值的增长速率有所不同;两者之和提供了承担贮料重力(包括冲击力)所需的全部支承力直至满仓。在hn接近1.5 dn这一阶段,按浅仓计算其仓底竖向压力值记为pv 2,则仓底实际所受竖向压力因竖向摩擦力的参与会比pv2值要小。这一阶段的竖向摩擦力pf作用不显著,在计算时没有考虑其有利作用。这种处理方法简化了计算,对浅仓其结果是偏于安全的。在第二阶段hn继续增加,致使仓壁水平压力增大,则仓壁对贮料的竖向摩擦力相应增大,竖向摩擦力的作用愈加明显;同时仓底压力仍然持续增长,只是比前一阶段的增长速率缓慢。按深仓工况计算的仓底竖向压力值记为pv1。本文算例分别按深浅仓计算的竖向压力的变化范围见表3、表4。

表3 钢料仓竖向压力计算结果

表4 钢筋混凝土料仓竖向压力计算结果

由表3所示的计算结果可知:在此钢料仓算例中,当hn/dn≥1.5时,pv 1/V hn=1.31～1.5,即按深仓计算的竖向压力总大于按V hn计算的竖向压力,此时按《筒规》取pv1=V hn作为内力分析的依据即可。

当料仓为钢筋混凝土料仓时,表4中贮料计算高度hn=9 m=1.5 dn是深、浅仓分界点。按浅仓计算的最大竖向压力pv2=144.00 kPa(hn=9 m),假定仓壁高度h=13.8 m时hn可以取13.8 m,此时的pv1和pv2计算值相当。假定h=10.20 m时,hn最大只能取到10.20 m,此时算得的pv1=127.12 kPa,而pv2仍应为144.00 kPa,两者相差1.13倍。假设此算例再按漏斗填料最大厚度大于1.5 m时取Cv等于1.0(《筒规》4.2.5条)考虑,pv1=90.80 kPa,此时pv 1值是pv2的1.6倍,超出《筒规》4.1.6条第1款规定的料载分项系数1.3的“安全储备”。以上分析反应了钢筋混凝土料仓在高度h很大范围内,按浅仓计算的压力值起绝对的控制作用。此时对于仓底压力的计算,简单的按深仓工况考虑是不可取的。造成这样的结果是由于浅仓工况和深仓工况的pv计算值在hn=1.5 dn分界点不衔接,缺乏相关的计算规定而造成的。而且与摩擦系数对深仓模式下竖向压力影响较大,浅仓模式下竖向压力未考虑贮料摩擦力计算过于保守有关。为此,建议在料仓结构设计时的解决办法是:对于既定的h值大于1.5 dn时,首先看hn=h时pv1的计算值是否大于等于pv2,若成立,则按深仓计算;若小于pv2,尚应考虑适当放大pv1,或者直接采用pv2值,因为同样6 m内径的料仓,高度h为10.2 m的并不比9.0 m的仓底竖向贮料压力小。虽然这种简化的粗略方法不能具体量化从9.0 m向13.8 m的过渡过程,但在《筒规》没有明确规定相关复核条件的情况下,对于设计人员来说这样做是稳妥且可操作。上例的对比从侧面也反映了结构的经济性,表4可以看出d为6 m的水泥贮仓,h为13 m左右时比较经济。

3 结语

《筒规》总结了近二十年的经验,随着相关理论的进步和新技术的发展,《筒规》更加成熟和完善。设计规范是设计活动中专业技术范畴里的准则,应加强对规范的理解,具体问题具体分析。在料仓结构设计中,贮料压力的计算在hn=1.5 dn分界点附近因采用不同的计算方法会出现数值突变,此时应当根据贮料参数、结构形式的不同综合考虑,确保设计成果的安全可靠。

[1] 水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册:第5卷结构设计[M].北京:水利电力出版社, 1994.

[2] GB50077-2003,钢筋混凝土料仓设计规范[S].

[3] 姜东.浅圆仓仓壁侧压力的有限元分析[J].特种结构,2007,(4).

(责任编辑:高桂芝)

The Calculation&Analysis of the Stored Material Pressure in the Structure Design of the Silos

LIU Da-tong1,ZHANG Bao-kui2,LI Bin1
(1.Changjiang Planning and Desig n Survey Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300132,China)

It is important to calculate the stored material pressure in the structure design of the silos. The calculation methods are devided into deep silo and shallow silo.According to the analysis of an actual example,the problem of the pressure value checking is summarized in the stored material pressure calculation of the reinforced concrete silo and steel silo,and a practical method is brought forward in the paper.

silo;stored material pressure;deep silo;shallow silo;pressure value checking

T U318

A

1008-3782(2010)01-0013-03

2009-07-30

刘大同(1977-),男,山东烟台人,长江勘测规划设计研究院工程师。