仓储建筑中的装配式平底钢板筒仓结构及其受力性能分析

仇新义

【摘要】钢板筒仓结构具有占地面积小、存取方便、施工周期短等优点，随着我国钢产量提高，钢结构凭借抗震性能好等特性在我国各行业广泛应用，在仓储建筑中出现大批钢板筒仓结构，但对受力性能研究有待完善。本文对仓储建筑平底钢板筒仓钢材力学性能实验，按照《粮食钢板筒仓设计规范》不同理论方法验算钢板筒仓受力性能状态，对不同粮食散料储料为小麦计算值比储料玉米偏大，理论计算验证筒仓结构安全。对装配式钢板筒仓进行试验检测，分析得出静态筒仓内力分布与理论分析值相近。采用有限元软件建立分析模型，分析反映筒仓结构在材料弹性阶段工作，可对筒仓结构优化设计。

【关键词】装配式仓储建筑;平底钢板筒仓;受力分析

我国早期粮仓建筑中有西安半坡遗址储粮窑仓，隋唐含嘉仓等，我国储粮建仓历史悠久，为粮仓建筑科技发展奠定坚实基础。随着现代农业发展，筒仓建筑在冶金、电力等诸多行业应用，各行业对散装物料储运需求不断提高，目前单体筒仓达百万吨级，筒仓具有存储量大，便于机械化作用等优点，常见结构形式有钢混筒仓与钢板结构，随着我国钢产量提高钢结构以其施工方便等特点在各行业广泛应用，仓储建筑中出现大批钢板筒仓。

1、粮食仓储建筑钢板筒仓结构简述

粮食钢板筒仓是储粮钢结构直立容器，主要形式有焊接钢板、螺栓装配波纹钢板，螺栓装配肋型结双壁结构等【1】。按使用材料不同分为砖筒仓，木筒仓等。砼筒仓是常见筒仓结构，大多工程实践选用圆形筒仓。钢混筒仓按结构承重构件不同分为高架式与落地式筒仓。工业生产中根据工艺要求筒仓结构直径12m以下，采用筒壁支撑架空式结构，直径15m以上采用落地式平底仓。钢板筒仓具有经济性较好等特点，广泛应用于各领域，按工艺不同主要结构形式为装配式波纹与利物浦螺旋卷边筒仓。

2、钢板筒仓理论分析

筒仓结构散料荷载机理复杂，由于筒仓内特殊环境随着不同直径高度筒仓散料流动形态，环境温湿度等内外部因素变化需采用不同分析方法，国内外进行长期研究，但对现场实验检测平底钢板筒仓实验研究较少，本文对平底钢板筒仓工程实例理论分析，为实验检测分析提供依据。

2.1筒仓理论计算

当前理论分析是计算圆仓壁侧压力主要研究方法，Janssen理论是取得数据制定筒仓规范采用最多理论，主要计算深仓仓壁侧压力，Janssen公式在理论方面接近实际，按Janssen理论设计筒仓在内部散料流动时曾出现倒塌破坏，由于散料作用于筒仓壁产生大水平动压力，与筒仓中心卸料方式偏心卸料有关。各国规范动压公式采用Janssen公式，主要利用静态散料压力公式表达使用动态压力值。我国《粮食钢板筒仓设计规范》参考国外规范计算动态压力值。

研究装配式平底钢板筒仓使用钢材根据结构受力性能采用不同材料，筒仓壁是钢板筒仓主要受力结构部位，其仓壁厚度，使用结构形式等影响钢板结构力学性能。筒仓壁采用进口钢材SGH340，钢材在WDW-300微控电子万能试验机进行。研究筒仓壁进口钢材强度与我国钢材Q420材料相近，建议为提高钢板筒仓结构经济性使用Q420钢材。

2.2筒仓结构计算

研究平底钢板筒仓壁采用波纹板，钢板构件采用螺栓连接，仓壁高H=18.74m，筒仓直径为11.83m.根据规范要求钢板筒仓分为深浅仓，本文装配式平底钢板筒仓hn/dn>1.5为深仓【2】。由于不同合载工况，研究钢板筒仓结构受力分布不同，通过不同理论粮食散料计算分析，掌握钢板筒仓不同工况的受力。散料荷载是钢板筒仓结构主要荷载作用，机理复杂，主要包括散料作用对仓壁水平壓力，对筒仓底竖向压力等。

国外大多数以杨森理论公式计算筒仓储粮荷载静态压力，计算结果可满足现场钢板筒仓结构强度要求，浅仓储梁对仓壁水平压力按库伦理论为计算公式，装粮高度较大直径浅仓要求按深仓计算储粮对仓壁水平压力。由于受力机理复杂以验算工程实例钢板筒仓对比杨森理论不同，计算筒仓壁压力标准值按规范提出库伦理论计算，浅仓公式计算值比深仓计算值差异明显。筒仓结构设计对不同粮食散料应分别计算考虑对结构不利因素。深仓卸粮时动态压力涉及因素较多，对散料动态压力机理未达成共识，钢板筒仓储粮流动时散料荷载作用对仓壁压力增大。我国筒仓设计参考国外筒仓设计规范，储粮作用于筒仓壁动态压力值等于动静态压力修正系数相乘。

3、钢板筒仓现场测试分析

国内外有学者从事筒仓壁压实验研究，由于测量技术落后等原因理论与实验测试结果差异大。随着精确实验研究广泛开展，散料对仓体作用成为世界研究热点问题，各国学者大部分对仓内散料静态仓壁压力作为研究动态卸料压力的基础，动态壁压力在静态基础上修正，本文研究平底钢板筒仓工程实例实验。

3.1实验方案

根据粮食钢板筒仓工程实例某工厂建立装配式平底筒仓，基础采用桩基础，施工现场将工厂预制波纹板采用螺栓连接，仓壁高H=18.74m，施工周期短，是常用粮食钢板筒仓。为掌握平底钢板筒仓使用下结构受力性能，筒仓进卸料下内力分布等结构性能分析，了解钢板筒仓承载能力，研究粮食钢板筒仓检测结果与有限元分析对比研究提供依据，为设计制造钢板筒仓结构提供参考。

钢板筒仓检测采用电测法，通过电阻应变片获得电信号，检测前根据结构应力分析结果确定测点位置，实验检测采用静态电阻应变仪，通过应变仪传输给电脑检测，可配接应变，温度等传感器。通过接口扩展到1000点，各测点桥路形式独立，提供操作方便的软件。平底钢板监测点布置在仓壁板等受力构件，检测点对称布置考虑线路损坏导致重要数据丢失，根据钢板筒仓受力特点，在各工况段检测仓壁板等受力构件，布设测点考虑重点部位，测点需温度补偿。

3.2实验结果分析

根据工程实例平地钢板筒仓情况，对筒仓使用进行实验检测。实验根据生产现场检测，检测中筒仓加料在白天进行，筒仓进料160t，卸料阶段在晚上进行，卸料60t，实验检测分析平底钢板筒仓使用下结构受力具有代表性。随着筒仓进料增加对实验检测钢板筒仓内力分布影响，筒仓受力机理复杂，受到粮食散料对筒仓壁竖向摩擦力，讨论同荷载下不同散料状态下仓壁受力机理。

试验阶段筒仓内粮食散料不断变化，随着荷载变化散料颗粒密实度变化，仓壁受力影响因素较多，但对比试验稳态值相近，粮食散料荷载对仓壁环向应变力起到主要作用。由于筒仓高度较大，检测结构不利内力小，但在筒仓进料阶段，仓壁中间材料强度处于不利地位。筒仓使用中内力不利，深仓结构不会在顶部采取构造措施进行局部加强，仓底部位采用较厚竖向加强筋。根据实验检测研究，建议对深仓根据实际工程结构在仓壁中间采取局部加强构造措施，保证结构安全性。

参考文献：

[1]毋菲菲.落地式钢板筒仓竖向加劲肋在粮食荷载作用下稳定性研究[D].河南工业大学，2016.

[2]丁花超.高架式钢板筒仓力学性能分析及设计优化研究[D].郑州大学，2016.

（本文作者单位为河南工大设计研究院，河南，450001）