鋼板倉的研究與應用綜述

陳 靜，雷秋平

（蘇州中材建設有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速騰飛，國家和人民越來越注重節能環保和生產效率。鋼板倉以可回收的鋼材作為建筑材料，其設計解決了大儲量粉粒料物品的儲存安全問題。如出庫效率低、邊部存料多以及無法維修等問題[1]。鋼板倉不但具有自重輕、強度高、建造速度快、對環境污染較小、造價低等優點，且抗震性能優越，其內儲料起到阻尼作用，可有效耗散地震能量，增加結構的安全性。同時，使用期限長，可實現自動化控制，符合國家低碳環保的發展要求，鋼板倉在糧油、農業、食品、化工等行業得到了廣泛應用[2]。

2011 年，我國頒布了《糧食鋼板筒倉設計規范》（GB 50322—2011）[3]以及《鋼筒倉技術規范》（GB 50077—2013）[4]，對我國鋼板倉的設計和施工起到了重要的指導和促進作用。鋼板倉是一種薄殼結構，在現實生活應用中，受力性能及破壞準則都極其復雜。國內外學者對筒倉結構已經進行了大量的理論分析和試驗研究，但其失效率仍高于其他結構。筒倉結構的失效將導致災難性的破壞，造成經濟損失、環境污染甚至對人們的生命造成威脅[5]。因此，對于鋼板倉的研究不能滿足實際工程應用的需要，還存在許多亟待解決的問題。

1 筒倉結構的分類及特點

筒倉結構是一種特種結構，其分類可采用多種標準。如平面形狀、材料組成、施工工藝、使用功能、結構形式以及計算方法等[6]。

根據平面形狀，筒倉可分為圓形倉、多角形倉和方形倉。考慮到受力性能、存儲量以及經濟性等因素，目前圓形筒倉是應用最廣泛的一種形式。

根據材料組成，分為鋼板倉、鋼筋混凝土倉、木筒倉和磚筒倉。木筒倉制作容易且拼裝簡單，應用較早，但其所能承受的壓力較小，容量有限。磚筒倉原材料豐富、經濟性好，但其抗拉強度和抗剪強度較低，發展受到限制。現階段使用較為廣泛的是鋼板倉和鋼筋混凝土筒倉，由于鋼筋混凝土筒倉的自重太大，回收率低等原因，鋼板筒倉無疑是最優選擇。鋼板筒倉的自重小、施工周期短、強度高、回收利用率較高且機械化程度高等優點受到廣泛青睞。

根據施工工藝，鋼筋混凝土筒倉可分為工廠預制裝配式筒倉和現澆式筒倉。按倉壁的截面形式，鋼板倉可分為波紋鋼板筒倉、螺旋卷邊板筒倉和肋型鋼板筒倉。

根據使用功能，可分為農業筒倉和工業筒倉。農業筒倉用來儲存谷物等粒狀物，工業筒倉用來儲存粉煤灰、石油等粉狀物或液狀物。

根據結構形式，可分為高架式筒倉和落地式筒倉。高架式筒倉在裝卸料及使用過程中優勢較大，但其儲存量較小且受力復雜。落地式筒倉可有較大的直徑，在各個領域都有應用。

根據計算方法，可分為深倉和淺倉。當倉內儲物計算高度與筒倉直徑或寬度的比值小于1.5 時為淺倉，反之為深倉。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外專家及學者對于鋼板倉的研究開始較早，并獲得了較為顯著的成果。1895 年，德國著名工程師Janssen[7]以靜力學理論為基礎，根據靜力平衡條件和微積分法提出了靜態水平側壓力和豎向壓力的理論公式，是目前許多國家編制筒倉結構設計建造規范的重要依據。1897 年，Airy[8]考慮儲料與倉壁的摩擦力，并結合擋土墻滑動楔體的平衡方法，對筒倉進行了系統研究。1985 年Rotter 等[9-11]利用有限元軟件模擬鋼筒倉的缺陷問題，使得鋼板倉的有限元分析缺陷理論有了一定的數學基礎。1901 年前后，Timoshenko 等[12]提出了薄殼屈曲應力的理論計算公式，但承載力計算結果與試驗結果相比吻合度較差，主要原因是自身缺陷所引起，并引起了許多學者對薄殼結構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的側壓力變化，而且研究了偏心卸料模式對筒倉側壓力的影響。2007 年，Krasovsky 等[14]采用理論分析和試驗研究相結合的方法，對軸向壓力作用下縱向加筋圓柱殼的局部屈曲及整體穩定性進行研究，結果表明局部波動所引起的側向變形對整體穩定性有明顯的影響。Gallego 等[15]建立了有限元模型，并根據薄殼理論，對波紋鋼筒倉在荷載作用下的應力結果進行了預測，結果表明焊接筒倉的歐洲規范中規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近接觸、滑動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的靜態接觸狀態。結果表明，顆粒材料的力學性能和筒倉設計對顆粒材料與筒倉界面的接觸狀態有顯著影響。Pravin Jagtap 等[17]通過建立顆粒料倉有限元模型，研究了地震地面加速度作用下，鋼筒倉在不同深度處顆粒材料的水平和垂直位移，數值模擬結果與Janssen理論得到的解析一致。Arash Raeesi 等[18]研究了薄壁筒倉在風荷載作用下的結構性能并建立了有限元模型。研究表明，風環顯著提高了筒倉的屈曲強度，現場筒倉試件的臨界屈曲強度大幅提高。Alireza 等[19]采用增量動力分析法研究了水平基礎激勵下鋼筒倉的動力屈曲行為，計算了屈曲時刻的臨界基底剪力、基底彎矩和峰值地面加速度。結果表明，在相同的地震條件下，細長筒倉更易發生屈曲破壞，而淺圓筒倉則表現出較高的抗震性能。

2.2 國內研究現狀

國內在21 世紀前，主要使用的是鋼筋混凝土筒倉，且技術相對成熟。但對于鋼筒倉的研究起步較晚且應用較少。隨著鋼板倉在國內迅速發展，許多學者對鋼筒倉進行了研究。2001 年，我國頒布實施《糧食鋼板筒倉設計規范》（GB 50322—2001）[20]，并于2011 年對其進行修訂，對鋼筒倉的研究、設計及施工起到了極大的促進作用。同年，趙陽等[21]總結并分析了大型鋼板倉的結構行為與設計方法，確定了鋼筒倉的結構形式與儲料荷載的方法，并對其主要破壞模式進行了總結。2004年，林翔[22]基于現有歐洲規范和已有的圓柱殼相關資料，分析了鋼筒倉軸壓承載力的確定方法，積極推動了我國鋼筒倉結構的應用。2005 年，Teng[23]采用有限元法對筒倉的承載穩定性進行了分析。2006 年，趙陽等[24]等利用ANSYS 有限元分析軟件，從徑厚比、支柱伸入筒倉高度、支柱寬度等幾個變量分析了鋼筒倉的強度及穩定性。結果表明，對鋼筒倉結構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]根據鋼筒倉的本身構造特點，并考慮變量包括糧食荷載、倉壁換算厚度值、參數選取等，總結并分析了鋼筒倉的穩定性。2013 年我國頒布實施《鋼筒倉技術規范》（GB 50077—2013）[4]，對鋼筒倉在各行各業的發展提供了技術支撐。同年，劉鴻勝[26]以大型落地式鋼筒倉為研究對象，采用線性應力分析和非線性屈曲的方法，分析了在風荷載作用下結構的強度和穩定性。分析結果表明，當外形尺寸一樣時，筒倉屈曲強度主要取決于倉壁厚度，且隨著筒倉內儲料高度的增加，筒倉的穩定性也逐漸升高。2016 年，曹慶帥[27]為研究幾何、材料非線性及結構的初始缺陷對變形的影響，分別對鋼筒倉進行了線性和非線性分析。結果表明，風荷載對滿倉時的深倉結構屈曲模態影響最大，空倉的鋼筒倉倉壁頂部變形較大。2017 年，馬越[28]采用理論分析和數值模擬方法，分析并研究了落地式鋼筒倉在溫度作用下的結構響應，提出鋼筒倉在設計中應合理考慮溫度作用，提供了一定的理論基礎及參考。2018 年，景杰婧[29]基于某不均勻支承的高聳煤粉鋼筒倉，分析了在靜態貯料和動態卸料情況下貯料壓力分布情況以及倉下支承結構對貯料壓力分布的影響。結果表明，在轉折連接附近貯料壓力沿周向分布不均，且動態卸料對貯料側壓力影響較大。2019 年，陳東兆等[30]結合筒倉實例，基于有限元軟件ABAQUS，對筒倉結構在糧食荷載作用下進行了線彈性分析和非線性分析。結果表明，裝配式波紋鋼板筒倉的穩定性能與豎向加勁肋是否屈曲相關。

3 研究的關鍵及難題

3.1 儲料荷載

綜上所述，國內外對于鋼筒倉的研究尚不全面。貯料壓力分布是研究筒倉結構的關鍵。任何材料制作的筒倉結構，儲料對倉壁的作用機制基本相同，但到目前為止對于筒倉儲料對倉壁的作用機制尚未完全明晰。Janssen 公式的兩個假定不考慮倉底對儲料壓力的影響，并且將儲料視為不可壓縮的理想散粒體。一般儲料的壓縮性都很強，還可能伴隨塑性發展，且實際工程中的受力情況更為復雜，而國內相關規范計算倉壁靜態側壓時多直接采用Janssen 公式，這對于筒倉結構的設計與施工還存在不足。

3.2 初始缺陷

鋼筒倉在生產施工時可能存在一定的初始缺陷，這些缺陷對于結構的分析是難以把控的。因此，在對筒倉結構進行分析設計時，應考慮初始缺陷的隨機分布。由于初始缺陷難以確定，目前的研究未將結構的初始缺陷考慮在內。

4 結語

通過學者們的研究不難發現，鋼板倉在各方面性能優越，符合國家綠色環保的發展要求。

目前對于筒倉結構的研究雖已取得大量成果，但尚不全面，也不夠深入。鋼板倉屬于薄殼結構，薄殼對于初始缺陷較為敏感，實際承載力往往低于理論計算值。在進行荷載計算時，應考慮初始缺陷對筒倉結構承載力的影響。目前較多采用折減系數，但多依據經驗取值，理論分析尚顯不足。因此，有必要對結構的初始缺陷進行深入研究，使其能夠真實地反映結構的工作性能。另外，對筒倉結構儲料之間以及儲料與倉壁之間的摩擦減少地震所產生能量的機制分析，也是一個值得研究的方向。