陳 靜，雷秋平

（蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，國(guó)家和人民越來(lái)越注重節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)效率。鋼板倉(cāng)以可回收的鋼材作為建筑材料，其設(shè)計(jì)解決了大儲(chǔ)量粉粒料物品的儲(chǔ)存安全問(wèn)題。如出庫(kù)效率低、邊部存料多以及無(wú)法維修等問(wèn)題[1]。鋼板倉(cāng)不但具有自重輕、強(qiáng)度高、建造速度快、對(duì)環(huán)境污染較小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，且抗震性能優(yōu)越，其內(nèi)儲(chǔ)料起到阻尼作用，可有效耗散地震能量，增加結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)，使用期限長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，符合國(guó)家低碳環(huán)保的發(fā)展要求，鋼板倉(cāng)在糧油、農(nóng)業(yè)、食品、化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。

2011 年，我國(guó)頒布了《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50322—2011）[3]以及《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50077—2013）[4]，對(duì)我國(guó)鋼板倉(cāng)的設(shè)計(jì)和施工起到了重要的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。鋼板倉(cāng)是一種薄殼結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中，受力性能及破壞準(zhǔn)則都極其復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，但其失效率仍高于其他結(jié)構(gòu)。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的失效將導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染甚至對(duì)人們的生命造成威脅[5]。因此，對(duì)于鋼板倉(cāng)的研究不能滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用的需要，還存在許多亟待解決的問(wèn)題。

1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)及特點(diǎn)

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)是一種特種結(jié)構(gòu)，其分類(lèi)可采用多種標(biāo)準(zhǔn)。如平面形狀、材料組成、施工工藝、使用功能、結(jié)構(gòu)形式以及計(jì)算方法等[6]。

根據(jù)平面形狀，筒倉(cāng)可分為圓形倉(cāng)、多角形倉(cāng)和方形倉(cāng)。考慮到受力性能、存儲(chǔ)量以及經(jīng)濟(jì)性等因素，目前圓形筒倉(cāng)是應(yīng)用最廣泛的一種形式。

根據(jù)材料組成，分為鋼板倉(cāng)、鋼筋混凝土倉(cāng)、木筒倉(cāng)和磚筒倉(cāng)。木筒倉(cāng)制作容易且拼裝簡(jiǎn)單，應(yīng)用較早，但其所能承受的壓力較小，容量有限。磚筒倉(cāng)原材料豐富、經(jīng)濟(jì)性好，但其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，發(fā)展受到限制?，F(xiàn)階段使用較為廣泛的是鋼板倉(cāng)和鋼筋混凝土筒倉(cāng)，由于鋼筋混凝土筒倉(cāng)的自重太大，回收率低等原因，鋼板筒倉(cāng)無(wú)疑是最優(yōu)選擇。鋼板筒倉(cāng)的自重小、施工周期短、強(qiáng)度高、回收利用率較高且機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛青睞。

根據(jù)施工工藝，鋼筋混凝土筒倉(cāng)可分為工廠(chǎng)預(yù)制裝配式筒倉(cāng)和現(xiàn)澆式筒倉(cāng)。按倉(cāng)壁的截面形式，鋼板倉(cāng)可分為波紋鋼板筒倉(cāng)、螺旋卷邊板筒倉(cāng)和肋型鋼板筒倉(cāng)。

根據(jù)使用功能，可分為農(nóng)業(yè)筒倉(cāng)和工業(yè)筒倉(cāng)。農(nóng)業(yè)筒倉(cāng)用來(lái)儲(chǔ)存谷物等粒狀物，工業(yè)筒倉(cāng)用來(lái)儲(chǔ)存粉煤灰、石油等粉狀物或液狀物。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可分為高架式筒倉(cāng)和落地式筒倉(cāng)。高架式筒倉(cāng)在裝卸料及使用過(guò)程中優(yōu)勢(shì)較大，但其儲(chǔ)存量較小且受力復(fù)雜。落地式筒倉(cāng)可有較大的直徑，在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

根據(jù)計(jì)算方法，可分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)物計(jì)算高度與筒倉(cāng)直徑或?qū)挾鹊谋戎敌∮?.5 時(shí)為淺倉(cāng)，反之為深倉(cāng)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外專(zhuān)家及學(xué)者對(duì)于鋼板倉(cāng)的研究開(kāi)始較早，并獲得了較為顯著的成果。1895 年，德國(guó)著名工程師Janssen[7]以靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)靜力平衡條件和微積分法提出了靜態(tài)水平側(cè)壓力和豎向壓力的理論公式，是目前許多國(guó)家編制筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造規(guī)范的重要依據(jù)。1897 年，Airy[8]考慮儲(chǔ)料與倉(cāng)壁的摩擦力，并結(jié)合擋土墻滑動(dòng)楔體的平衡方法，對(duì)筒倉(cāng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1985 年Rotter 等[9-11]利用有限元軟件模擬鋼筒倉(cāng)的缺陷問(wèn)題，使得鋼板倉(cāng)的有限元分析缺陷理論有了一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1901 年前后，Timoshenko 等[12]提出了薄殼屈曲應(yīng)力的理論計(jì)算公式，但承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比吻合度較差，主要原因是自身缺陷所引起，并引起了許多學(xué)者對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)整體承載力影響研究的興趣。Ayuga 等[13]利用ANSYS 分析了不同卸料模式下筒倉(cāng)的側(cè)壓力變化，而且研究了偏心卸料模式對(duì)筒倉(cāng)側(cè)壓力的影響。2007 年，Krasovsky 等[14]采用理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)軸向壓力作用下縱向加筋圓柱殼的局部屈曲及整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明局部波動(dòng)所引起的側(cè)向變形對(duì)整體穩(wěn)定性有明顯的影響。Gallego 等[15]建立了有限元模型，并根據(jù)薄殼理論，對(duì)波紋鋼筒倉(cāng)在荷載作用下的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明焊接筒倉(cāng)的歐洲規(guī)范中規(guī)定的荷載位置可能存在明顯差異。Wang Xuewen 等[16]建立了顆粒材料與落地式鋼筒倉(cāng)近接觸、滑動(dòng)接觸和粘著接觸三種形式的靜接觸有限元模型，研究了不同顆粒材料平底鋼筒倉(cāng)的靜態(tài)接觸狀態(tài)。結(jié)果表明，顆粒材料的力學(xué)性能和筒倉(cāng)設(shè)計(jì)對(duì)顆粒材料與筒倉(cāng)界面的接觸狀態(tài)有顯著影響。Pravin Jagtap 等[17]通過(guò)建立顆粒料倉(cāng)有限元模型，研究了地震地面加速度作用下，鋼筒倉(cāng)在不同深度處顆粒材料的水平和垂直位移，數(shù)值模擬結(jié)果與Janssen理論得到的解析一致。Arash Raeesi 等[18]研究了薄壁筒倉(cāng)在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能并建立了有限元模型。研究表明，風(fēng)環(huán)顯著提高了筒倉(cāng)的屈曲強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)筒倉(cāng)試件的臨界屈曲強(qiáng)度大幅提高。Alireza 等[19]采用增量動(dòng)力分析法研究了水平基礎(chǔ)激勵(lì)下鋼筒倉(cāng)的動(dòng)力屈曲行為，計(jì)算了屈曲時(shí)刻的臨界基底剪力、基底彎矩和峰值地面加速度。結(jié)果表明，在相同的地震條件下，細(xì)長(zhǎng)筒倉(cāng)更易發(fā)生屈曲破壞，而淺圓筒倉(cāng)則表現(xiàn)出較高的抗震性能。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在21 世紀(jì)前，主要使用的是鋼筋混凝土筒倉(cāng)，且技術(shù)相對(duì)成熟。但對(duì)于鋼筒倉(cāng)的研究起步較晚且應(yīng)用較少。隨著鋼板倉(cāng)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)鋼筒倉(cāng)進(jìn)行了研究。2001 年，我國(guó)頒布實(shí)施《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50322—2001）[20]，并于2011 年對(duì)其進(jìn)行修訂，對(duì)鋼筒倉(cāng)的研究、設(shè)計(jì)及施工起到了極大的促進(jìn)作用。同年，趙陽(yáng)等[21]總結(jié)并分析了大型鋼板倉(cāng)的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)方法，確定了鋼筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式與儲(chǔ)料荷載的方法，并對(duì)其主要破壞模式進(jìn)行了總結(jié)。2004年，林翔[22]基于現(xiàn)有歐洲規(guī)范和已有的圓柱殼相關(guān)資料，分析了鋼筒倉(cāng)軸壓承載力的確定方法，積極推動(dòng)了我國(guó)鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2005 年，Teng[23]采用有限元法對(duì)筒倉(cāng)的承載穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。2006 年，趙陽(yáng)等[24]等利用ANSYS 有限元分析軟件，從徑厚比、支柱伸入筒倉(cāng)高度、支柱寬度等幾個(gè)變量分析了鋼筒倉(cāng)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。結(jié)果表明，對(duì)鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的屈曲影響較為明顯的原因包括徑厚比以及支柱伸入高度。2008 年，袁海龍[25]根據(jù)鋼筒倉(cāng)的本身構(gòu)造特點(diǎn)，并考慮變量包括糧食荷載、倉(cāng)壁換算厚度值、參數(shù)選取等，總結(jié)并分析了鋼筒倉(cāng)的穩(wěn)定性。2013 年我國(guó)頒布實(shí)施《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50077—2013）[4]，對(duì)鋼筒倉(cāng)在各行各業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。同年，劉鴻勝[26]以大型落地式鋼筒倉(cāng)為研究對(duì)象，采用線(xiàn)性應(yīng)力分析和非線(xiàn)性屈曲的方法，分析了在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明，當(dāng)外形尺寸一樣時(shí)，筒倉(cāng)屈曲強(qiáng)度主要取決于倉(cāng)壁厚度，且隨著筒倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)料高度的增加，筒倉(cāng)的穩(wěn)定性也逐漸升高。2016 年，曹慶帥[27]為研究幾何、材料非線(xiàn)性及結(jié)構(gòu)的初始缺陷對(duì)變形的影響，分別對(duì)鋼筒倉(cāng)進(jìn)行了線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析。結(jié)果表明，風(fēng)荷載對(duì)滿(mǎn)倉(cāng)時(shí)的深倉(cāng)結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)影響最大，空倉(cāng)的鋼筒倉(cāng)倉(cāng)壁頂部變形較大。2017 年，馬越[28]采用理論分析和數(shù)值模擬方法，分析并研究了落地式鋼筒倉(cāng)在溫度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提出鋼筒倉(cāng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)合理考慮溫度作用，提供了一定的理論基礎(chǔ)及參考。2018 年，景杰婧[29]基于某不均勻支承的高聳煤粉鋼筒倉(cāng)，分析了在靜態(tài)貯料和動(dòng)態(tài)卸料情況下貯料壓力分布情況以及倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)對(duì)貯料壓力分布的影響。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)折連接附近貯料壓力沿周向分布不均，且動(dòng)態(tài)卸料對(duì)貯料側(cè)壓力影響較大。2019 年，陳東兆等[30]結(jié)合筒倉(cāng)實(shí)例，基于有限元軟件ABAQUS，對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在糧食荷載作用下進(jìn)行了線(xiàn)彈性分析和非線(xiàn)性分析。結(jié)果表明，裝配式波紋鋼板筒倉(cāng)的穩(wěn)定性能與豎向加勁肋是否屈曲相關(guān)。

3 研究的關(guān)鍵及難題

3.1 儲(chǔ)料荷載

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼筒倉(cāng)的研究尚不全面。貯料壓力分布是研究筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。任何材料制作的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)料對(duì)倉(cāng)壁的作用機(jī)制基本相同，但到目前為止對(duì)于筒倉(cāng)儲(chǔ)料對(duì)倉(cāng)壁的作用機(jī)制尚未完全明晰。Janssen 公式的兩個(gè)假定不考慮倉(cāng)底對(duì)儲(chǔ)料壓力的影響，并且將儲(chǔ)料視為不可壓縮的理想散粒體。一般儲(chǔ)料的壓縮性都很強(qiáng)，還可能伴隨塑性發(fā)展，且實(shí)際工程中的受力情況更為復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范計(jì)算倉(cāng)壁靜態(tài)側(cè)壓時(shí)多直接采用Janssen 公式，這對(duì)于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工還存在不足。

3.2 初始缺陷

鋼筒倉(cāng)在生產(chǎn)施工時(shí)可能存在一定的初始缺陷，這些缺陷對(duì)于結(jié)構(gòu)的分析是難以把控的。因此，在對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮初始缺陷的隨機(jī)分布。由于初始缺陷難以確定，目前的研究未將結(jié)構(gòu)的初始缺陷考慮在內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)學(xué)者們的研究不難發(fā)現(xiàn)，鋼板倉(cāng)在各方面性能優(yōu)越，符合國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展要求。

目前對(duì)于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的研究雖已取得大量成果，但尚不全面，也不夠深入。鋼板倉(cāng)屬于薄殼結(jié)構(gòu)，薄殼對(duì)于初始缺陷較為敏感，實(shí)際承載力往往低于理論計(jì)算值。在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮初始缺陷對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)承載力的影響。目前較多采用折減系數(shù)，但多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，理論分析尚顯不足。因此，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)的初始缺陷進(jìn)行深入研究，使其能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的工作性能。另外，對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)料之間以及儲(chǔ)料與倉(cāng)壁之間的摩擦減少地震所產(chǎn)生能量的機(jī)制分析，也是一個(gè)值得研究的方向。