某搅拌站钢仓倒塌事故的技术分析与总结

贺建邦

1 仓体概况

本仓位于某混凝土搅拌站,根据现场实际勘测,水泥罐直径为3.2 m,罐身长10.5 m,锥体高2.4 m,罐身总高 12.9 m,罐体壁厚上部 2.8 mm,下部3.0 mm,锥体壁厚4.6 mm,下层支柱为φ 215.92 mm×3.4 mm,长度 L=3.700 m,上层立柱为φ 215.92 mm×3.4 mm,横杆及斜支撑均为φ 88.22 mm×2.44 mm。

2 荷载计算

根据现场测量数据,绘出钢仓的理论尺寸模型,如图1所示。

1)仓自重。

仓体:

2)活载计算。

a.水泥荷载。

水泥体积:柱体:πr2h=3.14×1.597 22×10.5=84.1 m3。

合计:∑Vi=84.1+6.41=90.51 m3。

由荷载规范,散装水泥重度γ=14.5 kN/m3[1]。

满载时水泥重量:γ V=14.5×90.51=1 312.4 kN。

b.积灰荷载。

按有灰源考虑:πr2q=3.14×1.62×1=8 kN。

因为发生事故时并未出现下雪情况,故未考虑雪荷载。

3)风荷载。

按基本风压 ω0=0.4 kN/m2,由荷载规范可知体形系数为0.5,则下柱在风荷载下产生的轴向压力标准值为:

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

3 承载力验算

3.1 下支柱的稳定验算

根据粮食钢板筒仓设计规范[2]可知,下支柱的承载力须达到的设计值为:

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

实测长度L=3.700 m,下端支柱理论属于无侧移支柱,上端K1=0,下端由于存在支撑横杆,K2=0.05,由钢结构设计规范附表D-1可知:

在理想状态下,μ=0.99。

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

长细比:

由钢结构设计规范附表C-2,b类截面知,φ=0.862。

由钢结构设计规范5.1.2条知,下柱的稳定承载力为:

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

若允许5%的误差范围,则420.7×1.05=441.7 kN＜442.3 kN,仍然不能满足要求,但考虑到本仓体上部无侧向支撑,其立柱实际计算长度必定大于l0=μ l=3.663 m,故下柱的稳定承载力也必定达不到419.7 kN,因此稳定承载力就更小于442.3 kN。可以得出下立柱的承载力不足。

3.2 上支柱的稳定验算

上柱的实测长度为 L=2.700 m,由于上段支柱侧向没有支撑,属于有侧移支柱,K1=0.05,K2=0.05,由钢结构设计规范附录 D-2可知,μ=4.16。

由钢结构设计规范5.1.2条知,上柱的稳定承载力为:

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

由于承载力太小,远达不到设计所需要的承载力,可以断定在下柱屈曲之前,上柱就会失稳。

3.3 仓壁环向拉力的验算

由粮食钢板仓设计规范4.2.2.1条,S=10.5 m时,

则,Ph=1.859×28.25=52.52 kN/m。

取单位米宽度,计算水平拉力:

N=RPh=1.6×52.52=84.03 kN。

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

仓壁环向拉力满足要求。

3.4 仓壁竖向压力的计算

水泥作用于仓壁单位周长上的总摩擦力标准值Pfk。

设计值: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。

仓壁竖向压力满足要求。

3.5 折算应力

根据粮食钢板筒仓设计规范5.4.1条知,折算应力为:

可以看出,仓壁折算应力满足要求。

参照钢结构设计规范的构造要求8.1.2,受力构件不宜采用厚度小于4 mm的钢板。本钢板仓厚度2.8 mm,处于不宜采用的范围。

4 结语

1)由于上柱的稳定承载力不足造成上柱率先失稳,从而造成整个水泥筒仓的倒塌;2)下支柱的稳定承载力也不能满足设计要求,但考虑到上下柱的承载力的差别,可以得出,下柱还未达到失稳临界值,筒仓已经倒塌;3)其他部分承载力都能满足设计要求。

5 建议

1)严格按照规范设计。在钢结构设计规范8.1条中规定,受力构件不宜采用厚度小于4 mm的钢板,壁厚小于3 mm的钢管,而在本案例中这样的“不宜”都出现了。2)型材不要采用国标之外的规格。非标构件厚薄不均,质量参差不齐,很难保证设计要求的强度,节省材料是在安全的前提下来实现的。3)要采用必要的构造措施,根据钢结构设计规范可知,在同样的前提下,有侧移框架和无侧移框架承载力差别较大,因此在条件许可情况下,优先采用无侧移的形式。

[1] GB 50009-2001,建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 50322-2001,粮食钢板筒仓设计规范[S].

[3] 夏海霞,韩章良.钢桁架结构计算[J].山西建筑,2009,35(5):84-85.

[4] GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].