钢板仓的研究与应用综述

陈 静，雷秋平

（苏州中材建设有限公司，江苏 昆山 215300）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速腾飞，国家和人民越来越注重节能环保和生产效率。钢板仓以可回收的钢材作为建筑材料，其设计解决了大储量粉粒料物品的储存安全问题。如出库效率低、边部存料多以及无法维修等问题[1]。钢板仓不但具有自重轻、强度高、建造速度快、对环境污染较小、造价低等优点，且抗震性能优越，其内储料起到阻尼作用，可有效耗散地震能量，增加结构的安全性。同时，使用期限长，可实现自动化控制，符合国家低碳环保的发展要求，钢板仓在粮油、农业、食品、化工等行业得到了广泛应用[2]。

2011 年，我国颁布了《粮食钢板筒仓设计规范》（GB 50322—2011）[3]以及《钢筒仓技术规范》（GB 50077—2013）[4]，对我国钢板仓的设计和施工起到了重要的指导和促进作用。钢板仓是一种薄壳结构，在现实生活应用中，受力性能及破坏准则都极其复杂。国内外学者对筒仓结构已经进行了大量的理论分析和试验研究，但其失效率仍高于其他结构。筒仓结构的失效将导致灾难性的破坏，造成经济损失、环境污染甚至对人们的生命造成威胁[5]。因此，对于钢板仓的研究不能满足实际工程应用的需要，还存在许多亟待解决的问题。

1 筒仓结构的分类及特点

筒仓结构是一种特种结构，其分类可采用多种标准。如平面形状、材料组成、施工工艺、使用功能、结构形式以及计算方法等[6]。

根据平面形状，筒仓可分为圆形仓、多角形仓和方形仓。考虑到受力性能、存储量以及经济性等因素，目前圆形筒仓是应用最广泛的一种形式。

根据材料组成，分为钢板仓、钢筋混凝土仓、木筒仓和砖筒仓。木筒仓制作容易且拼装简单，应用较早，但其所能承受的压力较小，容量有限。砖筒仓原材料丰富、经济性好，但其抗拉强度和抗剪强度较低，发展受到限制。现阶段使用较为广泛的是钢板仓和钢筋混凝土筒仓，由于钢筋混凝土筒仓的自重太大，回收率低等原因，钢板筒仓无疑是最优选择。钢板筒仓的自重小、施工周期短、强度高、回收利用率较高且机械化程度高等优点受到广泛青睐。

根据施工工艺，钢筋混凝土筒仓可分为工厂预制装配式筒仓和现浇式筒仓。按仓壁的截面形式，钢板仓可分为波纹钢板筒仓、螺旋卷边板筒仓和肋型钢板筒仓。

根据使用功能，可分为农业筒仓和工业筒仓。农业筒仓用来储存谷物等粒状物，工业筒仓用来储存粉煤灰、石油等粉状物或液状物。

根据结构形式，可分为高架式筒仓和落地式筒仓。高架式筒仓在装卸料及使用过程中优势较大，但其储存量较小且受力复杂。落地式筒仓可有较大的直径，在各个领域都有应用。

根据计算方法，可分为深仓和浅仓。当仓内储物计算高度与筒仓直径或宽度的比值小于1.5 时为浅仓，反之为深仓。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外专家及学者对于钢板仓的研究开始较早，并获得了较为显著的成果。1895 年，德国著名工程师Janssen[7]以静力学理论为基础，根据静力平衡条件和微积分法提出了静态水平侧压力和竖向压力的理论公式，是目前许多国家编制筒仓结构设计建造规范的重要依据。1897 年，Airy[8]考虑储料与仓壁的摩擦力，并结合挡土墙滑动楔体的平衡方法，对筒仓进行了系统研究。1985 年Rotter 等[9-11]利用有限元软件模拟钢筒仓的缺陷问题，使得钢板仓的有限元分析缺陷理论有了一定的数学基础。1901 年前后，Timoshenko 等[12]提出了薄壳屈曲应力的理论计算公式，但承载力计算结果与试验结果相比吻合度较差，主要原因是自身缺陷所引起，并引起了许多学者对薄壳结构整体承载力影响研究的兴趣。Ayuga 等[13]利用ANSYS 分析了不同卸料模式下筒仓的侧压力变化，而且研究了偏心卸料模式对筒仓侧压力的影响。2007 年，Krasovsky 等[14]采用理论分析和试验研究相结合的方法，对轴向压力作用下纵向加筋圆柱壳的局部屈曲及整体稳定性进行研究，结果表明局部波动所引起的侧向变形对整体稳定性有明显的影响。Gallego 等[15]建立了有限元模型，并根据薄壳理论，对波纹钢筒仓在荷载作用下的应力结果进行了预测，结果表明焊接筒仓的欧洲规范中规定的荷载位置可能存在明显差异。Wang Xuewen 等[16]建立了颗粒材料与落地式钢筒仓近接触、滑动接触和粘着接触三种形式的静接触有限元模型，研究了不同颗粒材料平底钢筒仓的静态接触状态。结果表明，颗粒材料的力学性能和筒仓设计对颗粒材料与筒仓界面的接触状态有显著影响。Pravin Jagtap 等[17]通过建立颗粒料仓有限元模型，研究了地震地面加速度作用下，钢筒仓在不同深度处颗粒材料的水平和垂直位移，数值模拟结果与Janssen理论得到的解析一致。Arash Raeesi 等[18]研究了薄壁筒仓在风荷载作用下的结构性能并建立了有限元模型。研究表明，风环显著提高了筒仓的屈曲强度，现场筒仓试件的临界屈曲强度大幅提高。Alireza 等[19]采用增量动力分析法研究了水平基础激励下钢筒仓的动力屈曲行为，计算了屈曲时刻的临界基底剪力、基底弯矩和峰值地面加速度。结果表明，在相同的地震条件下，细长筒仓更易发生屈曲破坏，而浅圆筒仓则表现出较高的抗震性能。

2.2 国内研究现状

国内在21 世纪前，主要使用的是钢筋混凝土筒仓，且技术相对成熟。但对于钢筒仓的研究起步较晚且应用较少。随着钢板仓在国内迅速发展，许多学者对钢筒仓进行了研究。2001 年，我国颁布实施《粮食钢板筒仓设计规范》（GB 50322—2001）[20]，并于2011 年对其进行修订，对钢筒仓的研究、设计及施工起到了极大的促进作用。同年，赵阳等[21]总结并分析了大型钢板仓的结构行为与设计方法，确定了钢筒仓的结构形式与储料荷载的方法，并对其主要破坏模式进行了总结。2004年，林翔[22]基于现有欧洲规范和已有的圆柱壳相关资料，分析了钢筒仓轴压承载力的确定方法，积极推动了我国钢筒仓结构的应用。2005 年，Teng[23]采用有限元法对筒仓的承载稳定性进行了分析。2006 年，赵阳等[24]等利用ANSYS 有限元分析软件，从径厚比、支柱伸入筒仓高度、支柱宽度等几个变量分析了钢筒仓的强度及稳定性。结果表明，对钢筒仓结构的屈曲影响较为明显的原因包括径厚比以及支柱伸入高度。2008 年，袁海龙[25]根据钢筒仓的本身构造特点，并考虑变量包括粮食荷载、仓壁换算厚度值、参数选取等，总结并分析了钢筒仓的稳定性。2013 年我国颁布实施《钢筒仓技术规范》（GB 50077—2013）[4]，对钢筒仓在各行各业的发展提供了技术支撑。同年，刘鸿胜[26]以大型落地式钢筒仓为研究对象，采用线性应力分析和非线性屈曲的方法，分析了在风荷载作用下结构的强度和稳定性。分析结果表明，当外形尺寸一样时，筒仓屈曲强度主要取决于仓壁厚度，且随着筒仓内储料高度的增加，筒仓的稳定性也逐渐升高。2016 年，曹庆帅[27]为研究几何、材料非线性及结构的初始缺陷对变形的影响，分别对钢筒仓进行了线性和非线性分析。结果表明，风荷载对满仓时的深仓结构屈曲模态影响最大，空仓的钢筒仓仓壁顶部变形较大。2017 年，马越[28]采用理论分析和数值模拟方法，分析并研究了落地式钢筒仓在温度作用下的结构响应，提出钢筒仓在设计中应合理考虑温度作用，提供了一定的理论基础及参考。2018 年，景杰婧[29]基于某不均匀支承的高耸煤粉钢筒仓，分析了在静态贮料和动态卸料情况下贮料压力分布情况以及仓下支承结构对贮料压力分布的影响。结果表明，在转折连接附近贮料压力沿周向分布不均，且动态卸料对贮料侧压力影响较大。2019 年，陈东兆等[30]结合筒仓实例，基于有限元软件ABAQUS，对筒仓结构在粮食荷载作用下进行了线弹性分析和非线性分析。结果表明，装配式波纹钢板筒仓的稳定性能与竖向加劲肋是否屈曲相关。

3 研究的关键及难题

3.1 储料荷载

综上所述，国内外对于钢筒仓的研究尚不全面。贮料压力分布是研究筒仓结构的关键。任何材料制作的筒仓结构，储料对仓壁的作用机制基本相同，但到目前为止对于筒仓储料对仓壁的作用机制尚未完全明晰。Janssen 公式的两个假定不考虑仓底对储料压力的影响，并且将储料视为不可压缩的理想散粒体。一般储料的压缩性都很强，还可能伴随塑性发展，且实际工程中的受力情况更为复杂，而国内相关规范计算仓壁静态侧压时多直接采用Janssen 公式，这对于筒仓结构的设计与施工还存在不足。

3.2 初始缺陷

钢筒仓在生产施工时可能存在一定的初始缺陷，这些缺陷对于结构的分析是难以把控的。因此，在对筒仓结构进行分析设计时，应考虑初始缺陷的随机分布。由于初始缺陷难以确定，目前的研究未将结构的初始缺陷考虑在内。

4 结语

通过学者们的研究不难发现，钢板仓在各方面性能优越，符合国家绿色环保的发展要求。

目前对于筒仓结构的研究虽已取得大量成果，但尚不全面，也不够深入。钢板仓属于薄壳结构，薄壳对于初始缺陷较为敏感，实际承载力往往低于理论计算值。在进行荷载计算时，应考虑初始缺陷对筒仓结构承载力的影响。目前较多采用折减系数，但多依据经验取值，理论分析尚显不足。因此，有必要对结构的初始缺陷进行深入研究，使其能够真实地反映结构的工作性能。另外，对筒仓结构储料之间以及储料与仓壁之间的摩擦减少地震所产生能量的机制分析，也是一个值得研究的方向。