糧食筒倉受力特征及震害機理分析

◎ 胡亞民，段君峰

（1.鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州工業應用技術學院 建筑工程學院，河南 鄭州 451150）

糧食是關系國計民生和國家經濟安全的重要戰略物資。雖然近年來我國糧食產量連年提升，但面對復雜多變的國際形勢、全球氣候問題、自然災害和社會風險，仍需居安思危，確保糧食儲備安全[1]。在糧食全產業鏈高速發展的今天，倉儲結構已成為糧食生命線工程系統中關鍵節點的重要組成部分。倉儲結構的安全保證了糧食安全儲備和糧食生命線工程的正常運行。地震是人類社會危害最大的突發性自然災害之一，地震對倉儲結構的破壞遠高于其他工業建筑，幾乎所有的倉儲設施都會受到不同程度的破壞。地震對倉儲結構的破壞不僅影響相關生產的正常運行，造成內部儲料泄漏，還會帶來大量的資源浪費或二次污染，甚至引發次生災害[2-3]。

糧食倉儲在確保災后糧食供應、保障救災順利進行等方面發揮重要作用，因此糧食倉儲設施的抗震防災研究，對糧食安全、經濟穩定以及災后補給都具有重要的現實意義。鑒于此，本文對糧食倉儲設施中常見的筒倉結構類型及其特征進行總結，并結合震害實例對筒倉的受力性能和震害機理進行分析，以期為筒倉結構的抗震設計提供參考。

1 筒倉的類型及受力特性

1.1 筒倉類型

筒倉（圖1）具有占地面積小、機械化程度高、造價低等優點，被廣泛應用于糧食港口、碼頭、儲備庫及加工廠等，是一種較為科學，具有較大發展和應用前景的倉型[4-5]。在筒倉100多年的發展歷程中，根據不同的功能需求，以及因地制宜、因材施用的原則，涌現出了多種多樣的倉型和結構形式，具體分類如圖2所示[5]。

圖1 筒倉圖

圖2 筒倉的分類圖

目前，我國工程中多采用鋼筋混凝土圓形筒倉結構形式。根據筒倉高徑比或散體破裂面分為深倉和淺倉2大類倉型，其中采用高徑比分類簡單直觀且應用廣泛[6-7]。當H/D≥1.5時為深倉；當0.4＜H/D≤1.0時為淺倉（H為筒倉深度，D為圓倉內徑）。表1給出了我國常用的筒倉結構布置形式和特點。

表1 筒倉結構形式和特點表

1.2 筒倉受力性能分析

筒倉屬于特種結構，主要特點在于結構高大、重心高、體積大，在地震作用下，能夠產生較大的附加彎矩和剪力，較易發生破壞；內部散體質量遠大于結構自重，且散體既作為活荷載，同時又作為體系的一部分影響著結構的力學行為和動態特性[8-9]。同其他結構相比，筒倉結構除了承受風載、雪載、地震荷載等作用外，還需要考慮內部散體對結構的作用，同時還必須考慮進出倉過程中所產生的流動沖擊荷載[10]。此外，筒倉內部儲存的散體雖具有流體的流動性，卻又不像流體一樣能夠向各方向等同地傳遞壓強，其物理特性極具復雜性，具有不同于流體、固體和凝聚態物理的特殊力學行為。因此，在動力響應下，散體與筒倉之間存在著復雜的相互作用，宜綜合考慮散體與固體相互運動時壓力、速度的分布變化，以及各種耦合效應、能量轉換和損失等[11]。現有國家筒倉規范針對地震下的糧食重力代表值按糧食總倉容的80%考慮。

2 筒倉震害特征及破壞因素分析

2.1 筒倉震害特征

歷次震害資料表明，筒倉結構在地震中根據不同結構特點受到不同程度的破壞，直接造成生產中斷，嚴重者發生傾斜倒塌造成糧食資源損失，同時影響災后糧食供給和保障，實際工程設計應對其在地震中的安全性予以重視。以往的震害調研中，很少有對倉儲結構進行專門的震害調查和分析，因此現階段專門針對筒倉結構的震害調研資料比較有限。筒倉微小的沉降不均或輕微裂縫、變形等，不會造成嚴重的危害；一旦倒塌，則會造成內部儲料泄露，嚴重危及人們生命和財產安全。

近年來我國發生的地震震害資料表明，柱承式方倉震害嚴重，筒壁支承的圓形筒倉震害輕微[12]。其中，唐山地震中柱承式筒倉的倒塌及嚴重損害率，在9度烈度區約為22.2%，10～11烈度區約為46.6%。柱承式筒倉破壞部位大多在柱與其上部倉壁或與基礎連接的部位，筒壁支承的圓形筒倉幾乎沒有倒塌。從宏觀震害調查結果來看，無論是方倉還是圓倉，倉體本身均基本完好，震害輕微。震害資料表明，筒倉結構破壞往往發生在筒倉不同部位連接處（如柱子與倉壁、環梁交接處，倉壁與錐斗交接處等），由于剛度、幾何尺寸突變，易出現應力集中[13-14]。特別是柱承式筒倉，是一種對抗震不利的“雞腿”結構，支承柱上部的倉體結構相對于支承柱可視作大型剛體，而下部支承柱抗側剛度較小，不利于抵抗剪力和側移，由于應力局部增高，連接處在地震作用下易發生斷裂。柱子往往遭到斜拉破壞，倉體隨之倒塌。此外，在地震作用下，因地基變形造成基礎轉動，柱彎矩圖的反彎點相應下降，柱頂端內力大于底端。柱底端埋于地面以下，受地坪和周圈土壤的影響能起有利作用，因此柱底端的震害稍輕于柱頂。此外，地震運動不僅存在水平及垂直加速度，還有轉動分量，尤其在滿倉情況下，儲料豎向壓力過大，支承柱的軸壓比增高，導致其延性不足，難以消耗地震作用的慣性力，致使筒體倒塌。例如，汶川地震中柱承式圓形筒倉嚴重破壞率為28%[15]。

圖3給出了筒倉結構常見的幾種破壞形式。從結構材料來說，混凝土筒倉的抗震性能要高于砌體筒倉和鋼板筒倉；從支承形式來說，筒承式筒倉的抗震性能高于柱承式；從震害位置來說，下部支承部位和倉頂建筑均屬于抗震薄弱環節。

圖3 筒倉震害實例圖

通過以上分析可知，地震作用下筒倉破壞主要形式可歸結為地基基礎的失效、支承結構的破壞、倉壁與錐斗連接的失效、洞口的應力集中、上部結構與設備的連接破壞等。

2.2 筒倉破壞因素分析

任何結構設計的關鍵都在于確定其所受的荷載，筒倉也不例外。因內部儲料散體的特殊性，筒倉結構在承受地震荷載的同時，還需承受內部散體運動帶來的動態儲料壓力[16]。因此，筒倉的抗震設計必須同時考慮內部儲料運動產生的水平荷載。散體作為彼此相互聯系的固體顆粒組成的不連續介質集合體，具有分散性、復雜性和易變性。微觀上，筒倉內部儲存的散體由固體顆粒組成，顆粒的無粘結特性，使得顆粒之間僅存在單邊接觸力和摩擦力，因此能夠承受壓力，在儲料與儲料、儲料和倉壁之間傳遞剪應力，而不能承受拉力。雖具有流體的流動性，卻又不能像流體一樣向各個方向等同地傳遞壓強，且散體能夠在一定范圍內保持其堆積形狀。正是散體這種特殊的力學行為，使得筒倉-散體結構體系在動力響應下，必須綜合考慮散體與固體相互運動時壓力、速度的分布變化，以及各種相互耦合效應、能量轉換和損失等[17-18]。

從不同的結構類型分析，圓形筒倉的筒壁為空間軸對稱旋轉殼體結構，剛度大、抗變形能力強，抗扭轉性能好，且上下剛度基本一致；柱承式筒倉上下剛度變化大，支柱作為結構薄弱層，抗側剛度小，倉體剛度遠大于其支柱，導致水平側移大，容易出現應力集中現象，且其重心高導致地震作用下較易產生傾覆力和軸力。

此外，地震通常會引起水平和豎向兩個方向的振動，甚至還會引起轉動。筒倉的重量較大，因此豎向地震對筒倉的影響較小。由于重心高，地震水平作用對筒倉的影響較大。同時，水平地震荷載的大小直接與筒倉的重量成正比關系。隨著筒倉高度的增加，筒倉結構的質心高度增大，假定地震水平作用在質心處，則地震水平荷載力臂越大，對應的基底彎矩也越大。基底彎矩的增大，會導致筒倉基底壓力分布不均，有可能發生傾倒，且筒倉內部儲料的振動也會對倉壁造成破壞。

3 結論

倉儲結構是糧食生命線工程系統中關鍵節點的重要組成部分，是國家糧食儲備安全的重要保障。在綜合分析筒倉震害資料的基礎上，探討了筒倉結構體系的地震破壞特征和破壞因素，得到以下結論。

（1）筒倉結構破壞形式主要包括地基基礎的失效、支承結構的破壞、倉壁與錐斗連接的失效、洞口的應力集中以及上部結構與設備的連接破壞等。

（2）地震作用下，筒倉內部散體顆粒之間及散體與倉壁的運動和摩擦，能夠消耗一定的地震能量，這種能量的損耗受散體物理特性、地震烈度、筒倉幾何尺寸等諸多因素的影響，因此設計時適當考慮筒倉與內部散體儲料的相互耦合效應，可節省投資。

（3）倉儲結構作為災后糧食補給的民生項目，必須堅持以防為主，在8度以上高烈度地區應采用抗震性能較好的筒壁落地倉。實現從注重災后救助向注重災前預防轉變，從減少災害損失向減輕災害風險轉變，全面提升糧食倉儲結構抵御自然災害的綜合防范能力。