劉大同,張寶魁,李 斌

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河北武漢 430010;2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300132)

料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的貯料壓力計(jì)算分析

劉大同1,張寶魁2,李 斌1

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河北武漢 430010;2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300132)

料倉(cāng)貯料壓力計(jì)算是料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán),其計(jì)算方式分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)兩種。本文通過(guò)具體算例分析,對(duì)鋼筋混凝土料倉(cāng)和鋼料倉(cāng)在貯料壓力計(jì)算中應(yīng)注意的壓力復(fù)核問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié),提出了較實(shí)用的解決辦法。

料倉(cāng);貯料壓力;深倉(cāng);淺倉(cāng);壓力復(fù)核

在水利水電工程施工設(shè)施中,料倉(cāng)(又稱筒倉(cāng)或儲(chǔ)倉(cāng))被廣泛的用來(lái)作為卸料、受料、配料和貯料的設(shè)施[1],主要包括膠凝材料罐、生產(chǎn)車間和裝車臺(tái)等。在料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,貯料壓力分析是進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和設(shè)計(jì)成果復(fù)核的前提保證?！朵摻罨炷亮蟼}(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50077-2003》(簡(jiǎn)稱《筒規(guī)》)基于“散體理論”,提出的倉(cāng)類型劃分和與其對(duì)應(yīng)之貯料壓力計(jì)算規(guī)定是進(jìn)行料倉(cāng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

1 貯料水平壓力的計(jì)算與復(fù)核

在進(jìn)行貯料壓力計(jì)算和倉(cāng)體應(yīng)力分析前,必須先確認(rèn)所設(shè)計(jì)的料倉(cāng)是淺倉(cāng)還是深倉(cāng)?！锻惨?guī)》1.0.3條規(guī)定:“當(dāng)料倉(cāng)內(nèi)貯料計(jì)算高度hn與圓形料倉(cāng)內(nèi)徑dn或與矩形料倉(cāng)的短邊bn之比大于或等于1.5時(shí)為深倉(cāng),小于1.5時(shí)為淺倉(cāng)”。2.1.9條規(guī)定:“按倉(cāng)壁高度及作用于倉(cāng)壁的側(cè)壓力計(jì)算方法劃分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)”。從這兩條規(guī)定可以得知:深倉(cāng)、淺倉(cāng)倉(cāng)壁的側(cè)壓力應(yīng)按不同計(jì)算方法計(jì)算;深倉(cāng)和淺倉(cāng)的判定與貯料計(jì)算高度hn和料倉(cāng)內(nèi)徑dn或短邊bn之比有關(guān)。

深、淺倉(cāng)是料倉(cāng)設(shè)計(jì)中的兩種工況,其主要不同是:按深倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮貯料對(duì)倉(cāng)壁豎向摩擦力pf的作用,而按淺倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)偏于安全不考慮其作用。在料倉(cāng)貯料水平壓力的計(jì)算中,當(dāng)h/dn(bn)小于1.5時(shí)(h為倉(cāng)壁高度),料倉(cāng)不可能出現(xiàn)深倉(cāng)工況,只需按《筒規(guī)》規(guī)定的淺倉(cāng)模式計(jì)算。當(dāng)hn/dn(bn)=1.5時(shí)按《筒規(guī)》4.2.6條第2款規(guī)定:“尚應(yīng)按4.2.2-1式計(jì)算貯料壓力,二者計(jì)算結(jié)果取大值”。其含義是:在hn/dn(bn)處于分界值1.5時(shí),是深、淺倉(cāng)工況的過(guò)渡階段,應(yīng)分別按深、淺倉(cāng)公式計(jì)算水平貯料壓力。在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,此時(shí)有可能出現(xiàn)深倉(cāng)工況下倉(cāng)壁水平壓力計(jì)算值比淺倉(cāng)工況大的情況。以dn=6 m的水泥料倉(cāng)為例,水泥密度V=16 kN/m3,內(nèi)摩擦角h=30°,水平壓力修正系數(shù)Ch=2.0,豎向壓力修正系數(shù)Cv=2.0(鋼料倉(cāng))或1.4(鋼筋混凝土料倉(cāng)),摩擦系數(shù)_=0.3(鋼料倉(cāng))或0.58(鋼筋混凝土料倉(cāng)),按深倉(cāng)計(jì)算的倉(cāng)壁水平壓力值記為pv1,按淺倉(cāng)計(jì)算的倉(cāng)壁水平壓力值記為pv2,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 鋼料倉(cāng)不同貯料計(jì)算高度對(duì)應(yīng)的水平壓力計(jì)算結(jié)果

表2 鋼筋混凝土料倉(cāng)不同貯料計(jì)算高度對(duì)應(yīng)的水平壓力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知兩種工況的ph比值約在1.18～1.56之間,即按深倉(cāng)計(jì)算的倉(cāng)壁水平壓力值為按淺倉(cāng)計(jì)算的倉(cāng)壁水平壓力值的1.18～1.56倍。當(dāng)h/dn(bn)大于1.5時(shí),hn可以是0～h之間的任意數(shù)值(假定貯料頂面水平),兩種工況客觀上會(huì)交替出現(xiàn),比如空倉(cāng)、半滿、滿倉(cāng)。多數(shù)情況下,倉(cāng)壁水平壓力按照深倉(cāng)工況計(jì)算比淺倉(cāng)工況不利。經(jīng)有限元分析,倉(cāng)壁水平壓力不但與貯料的內(nèi)摩擦角h及摩擦系數(shù)_有關(guān),還與貯料的泊松比有關(guān)[3]?！锻惨?guī)》規(guī)定淺倉(cāng)“當(dāng)hn≥15 m且dn≥12 m時(shí),仍需按深倉(cāng)驗(yàn)算”[2]。在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,當(dāng)h/dn(bn)大于1.5時(shí),建議對(duì)hn/dn(bn)處于1.5左右的倉(cāng)壁水平壓力值分別按深倉(cāng)和淺倉(cāng)工況進(jìn)行計(jì)算,并取其不利結(jié)果作為內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)成果復(fù)核的依據(jù)。

2 貯料豎向壓力的計(jì)算

貯料豎向壓力由于倉(cāng)壁豎向摩擦力pf的參與使得其計(jì)算有些復(fù)雜。料倉(cāng)在裝料的過(guò)程中,經(jīng)歷hn=0到hn=1.5到hn=h這兩個(gè)階段。在整個(gè)過(guò)程中倉(cāng)底貯料豎向壓力和倉(cāng)壁豎向摩擦力都在逐漸增大,其值應(yīng)保持連續(xù)并且不會(huì)出現(xiàn)突變,只是在不同階段其數(shù)值的增長(zhǎng)速率有所不同;兩者之和提供了承擔(dān)貯料重力(包括沖擊力)所需的全部支承力直至滿倉(cāng)。在hn接近1.5 dn這一階段,按淺倉(cāng)計(jì)算其倉(cāng)底豎向壓力值記為pv 2,則倉(cāng)底實(shí)際所受豎向壓力因豎向摩擦力的參與會(huì)比pv2值要小。這一階段的豎向摩擦力pf作用不顯著,在計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮其有利作用。這種處理方法簡(jiǎn)化了計(jì)算,對(duì)淺倉(cāng)其結(jié)果是偏于安全的。在第二階段hn繼續(xù)增加,致使倉(cāng)壁水平壓力增大,則倉(cāng)壁對(duì)貯料的豎向摩擦力相應(yīng)增大,豎向摩擦力的作用愈加明顯;同時(shí)倉(cāng)底壓力仍然持續(xù)增長(zhǎng),只是比前一階段的增長(zhǎng)速率緩慢。按深倉(cāng)工況計(jì)算的倉(cāng)底豎向壓力值記為pv1。本文算例分別按深淺倉(cāng)計(jì)算的豎向壓力的變化范圍見(jiàn)表3、表4。

表3 鋼料倉(cāng)豎向壓力計(jì)算結(jié)果

表4 鋼筋混凝土料倉(cāng)豎向壓力計(jì)算結(jié)果

由表3所示的計(jì)算結(jié)果可知:在此鋼料倉(cāng)算例中,當(dāng)hn/dn≥1.5時(shí),pv 1/V hn=1.31～1.5,即按深倉(cāng)計(jì)算的豎向壓力總大于按V hn計(jì)算的豎向壓力,此時(shí)按《筒規(guī)》取pv1=V hn作為內(nèi)力分析的依據(jù)即可。

當(dāng)料倉(cāng)為鋼筋混凝土料倉(cāng)時(shí),表4中貯料計(jì)算高度hn=9 m=1.5 dn是深、淺倉(cāng)分界點(diǎn)。按淺倉(cāng)計(jì)算的最大豎向壓力pv2=144.00 kPa(hn=9 m),假定倉(cāng)壁高度h=13.8 m時(shí)hn可以取13.8 m,此時(shí)的pv1和pv2計(jì)算值相當(dāng)。假定h=10.20 m時(shí),hn最大只能取到10.20 m,此時(shí)算得的pv1=127.12 kPa,而pv2仍應(yīng)為144.00 kPa,兩者相差1.13倍。假設(shè)此算例再按漏斗填料最大厚度大于1.5 m時(shí)取Cv等于1.0(《筒規(guī)》4.2.5條)考慮,pv1=90.80 kPa,此時(shí)pv 1值是pv2的1.6倍,超出《筒規(guī)》4.1.6條第1款規(guī)定的料載分項(xiàng)系數(shù)1.3的“安全儲(chǔ)備”。以上分析反應(yīng)了鋼筋混凝土料倉(cāng)在高度h很大范圍內(nèi),按淺倉(cāng)計(jì)算的壓力值起絕對(duì)的控制作用。此時(shí)對(duì)于倉(cāng)底壓力的計(jì)算,簡(jiǎn)單的按深倉(cāng)工況考慮是不可取的。造成這樣的結(jié)果是由于淺倉(cāng)工況和深倉(cāng)工況的pv計(jì)算值在hn=1.5 dn分界點(diǎn)不銜接,缺乏相關(guān)的計(jì)算規(guī)定而造成的。而且與摩擦系數(shù)對(duì)深倉(cāng)模式下豎向壓力影響較大,淺倉(cāng)模式下豎向壓力未考慮貯料摩擦力計(jì)算過(guò)于保守有關(guān)。為此,建議在料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的解決辦法是:對(duì)于既定的h值大于1.5 dn時(shí),首先看hn=h時(shí)pv1的計(jì)算值是否大于等于pv2,若成立,則按深倉(cāng)計(jì)算;若小于pv2,尚應(yīng)考慮適當(dāng)放大pv1,或者直接采用pv2值,因?yàn)橥瑯? m內(nèi)徑的料倉(cāng),高度h為10.2 m的并不比9.0 m的倉(cāng)底豎向貯料壓力小。雖然這種簡(jiǎn)化的粗略方法不能具體量化從9.0 m向13.8 m的過(guò)渡過(guò)程,但在《筒規(guī)》沒(méi)有明確規(guī)定相關(guān)復(fù)核條件的情況下,對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)這樣做是穩(wěn)妥且可操作。上例的對(duì)比從側(cè)面也反映了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性,表4可以看出d為6 m的水泥貯倉(cāng),h為13 m左右時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

《筒規(guī)》總結(jié)了近二十年的經(jīng)驗(yàn),隨著相關(guān)理論的進(jìn)步和新技術(shù)的發(fā)展,《筒規(guī)》更加成熟和完善。設(shè)計(jì)規(guī)范是設(shè)計(jì)活動(dòng)中專業(yè)技術(shù)范疇里的準(zhǔn)則,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)規(guī)范的理解,具體問(wèn)題具體分析。在料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,貯料壓力的計(jì)算在hn=1.5 dn分界點(diǎn)附近因采用不同的計(jì)算方法會(huì)出現(xiàn)數(shù)值突變,此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)貯料參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式的不同綜合考慮,確保設(shè)計(jì)成果的安全可靠。

[1] 水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè):第5卷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力出版社, 1994.

[2] GB50077-2003,鋼筋混凝土料倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 姜東.淺圓倉(cāng)倉(cāng)壁側(cè)壓力的有限元分析[J].特種結(jié)構(gòu),2007,(4).

(責(zé)任編輯: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

劉大同(1977-),男,山東煙臺(tái)人,長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程師。