大型鋼板筒倉荷載計算及穩(wěn)定設(shè)計方法比較

1、第7卷第3期水利與建筑工程學(xué)報Vol. 7No. 3 收稿日期:2009 03 27 收回日期:2009 04 10作者簡介:敖曉欽(1979 , 男(漢族 , 江西南昌人, 碩士研究生, 國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師, 從事鋼結(jié)構(gòu)工程研究。大型鋼板筒倉荷載計算及穩(wěn)定設(shè)計方法比較敖曉欽, 陳向榮, 劉瑞蕊(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 陜西西安710055摘 要:通過實例對比我國 糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范! 與國外規(guī)范在儲料荷載計算和穩(wěn)定設(shè)計方面的異同, 計算表明按我國規(guī)范計算的筒倉水平壓力及豎向摩擦力總體上比國外規(guī)范的偏小。按我國規(guī)范進行穩(wěn)定計算時, 總體上比歐洲規(guī)范筒倉質(zhì)量為普通的低近20%。中國

2、規(guī)范設(shè)計的筒倉總體上比較經(jīng)濟, 但存在一定的不安全性。關(guān)鍵詞:鋼板筒倉; 荷載; 穩(wěn)定; 國內(nèi)外規(guī)范; 計算對比中圖分類號:TU311. 2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672 1144(2009 03 0016 03Comparison and Evaluation for Load Calculation andStability Design of Large Steel SilosAO Xiao qin, C HE N Xiang rong, LI U Rui rui(College of Civil En gineering, Xi an University of Architec

3、ture an d Technology , Xi an, Shaan xi 710055, ChinaAbstract:Through e xamples, the co mparison and evalua tion a re made for the load calculation of stora ge and the stability design in the design c odes for steel silos of grain a t home and abroad. It is shown that the horizontal pressure and vert

4、ical friction force of the silo acc ording to Chinese standa rd are smalle r than those according to the foreign sta ndard on the whole, and in stability calculation, the overall quali ty of the silo according to Chinese standard is lower nearly by 20%than that according to European standard. The si

5、lo according to Chinese standard is gene rally ec onomic, but there e xists a certain degree of insec urity. Keywords:steel silo; load; stability; domestic and foreign standard; calcu lat ion com parison大型鋼板筒倉是由倉筒與漏斗(漏斗未標(biāo)出組成, 如圖1所示, 壓力計算及穩(wěn)定驗算是鋼板筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。本文主要針對大型鋼板筒倉介紹國內(nèi)外規(guī)范對筒倉的水平壓力、豎向摩擦力計算和穩(wěn)定驗算的不同

6、。圖1 筒倉實例1 大型鋼板筒倉水平壓力和豎向摩擦力的對比1. 1 按 糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范! GB50322-20011進行計算大型鋼板筒倉的直徑一般較大, 筒倉內(nèi)儲料的計算高度h n 與筒倉內(nèi)徑d n 的比值一般都小于1. 5, 所以本文按淺倉進行計算。1. 1. 1 筒倉壁單位水平面上的水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值P hk 按下式計算P h k 1=(1-e - kS /(1 P hk 2=k S (2 P hk =max P hk 1, P h k 2(3式中: 為儲料的容重(kN/m 3 ; 為筒倉水平凈截面的水力半徑(m ; 為儲料對筒倉壁的摩擦系數(shù); k 為儲料側(cè)壓力系數(shù); S 為筒倉計算點深

7、度(m 。1. 1. 2 筒倉壁單位面積上豎向摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值P fk 按下式計算P fk = k S(41. 2 Design loads for buildings:Loads in silo bins,DIN 1055-Part 62儲料對筒倉壁板的水平壓力和豎向摩擦力按以下公式計算:水平壓力:p h f (z =A (z (5 豎向摩擦力:p wf (z = Au (z (6其中:! (z =(1-e z /z 0, z 0=A式中:z 為倉壁板任意點到倉底的距離(m ; 為儲料容重(kN/m 3 ; 為儲料與鋼板摩擦系數(shù); 為壓力比; A 為筒倉橫截面面積, A =#R 2; u 為筒倉

8、橫截面周長, u =2#R; R 為筒倉內(nèi)徑(m 。1. 3 ISO 11697:1995(E 3儲料對筒倉壁板的水平壓力和豎向摩擦力按以下公式計算:水平壓力:p h f (z = Rz(z (7 豎向摩擦力:p wf (z = RC z (z (8其中:C z (z =1-e -z/z, z 0=R /( , =1. 1(1-sin 式中:z 為倉壁板任意點到倉底的距離(m ; 為儲料容重(kN/m 3 ; 為儲料與鋼板摩擦系數(shù); 為壓力比; 為內(nèi)摩擦角; R 為筒倉內(nèi)徑(m 。1. 4 參數(shù)確定取內(nèi)徑d n =28m, 高度h n =29. 123m 儲存氧化鋁的鋼板筒倉來進行對比分析。筒

9、倉高度和內(nèi)徑比為h n /d n =29. 123/28=1. 04<1. 5, 所以按淺倉計算。氧化鋁基本參數(shù):容重 =12kN/m 3; 內(nèi)摩擦角=30#; 儲料與鋼板摩擦系數(shù) =0. 35。按GB50322-20011:側(cè)壓力系數(shù)k =tan (45#-/2 =tan(45#-30#/2 =0. 333; 水力半徑 =d n /4=28/4=7m 。對DIN 1055-Part62壓力比的取值, 可以參照取鋁的壓力比=0. 65。則國內(nèi)外規(guī)范水平壓力和豎向摩擦力比值見圖2。由圖2可知, GB 50322-20011與Design loads for build ings:Loads

10、 in silo bins, DIN 1055-Part62及ISO 11697:1995(E 3, 兩本國外規(guī)范2, 3在計算筒倉壁水平壓力及豎向摩擦力時, 荷載比值隨著筒倉儲料深度增加而增大, 在筒倉頂部, 國內(nèi)規(guī)范1計算荷載比國外規(guī)范2, 3的要小, 而在底部卻相 反。圖2 國內(nèi)規(guī)范與國外規(guī)范荷載比值總體來看, 在計算筒倉的水平壓力和豎向摩擦力時, 國內(nèi)規(guī)范1比國外規(guī)范2,3還是稍小, 所以國內(nèi)規(guī)范1荷載計算是偏經(jīng)濟的。2 大型鋼板筒倉穩(wěn)定的對比2. 1 按 糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范! GB50322-20011進行計算2. 1. 1 倉壁單位周長上的荷載組合 向力標(biāo)取值, 倉頂可變荷載換算

11、成作用在倉頂單位周長上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值為q Qik =3. 5kN/m 。筒倉風(fēng)荷載和地震作用均按GB 50322-20011進行計算。倉壁單位周長上的荷載組合也按GB 50322-20011進行組合, 具體如下:(1 無風(fēng)荷載參與組合時 q v 1=1. 2q gk +1. 3q fk +1. 4%i q Qik=1. 2q gk +1. 3q fk +1. 4%1. 0%q Qik (9 (2 有風(fēng)荷載參與組合時 q v 2=1. 2q gk +1. 3q fk +0. 6(q wk +q Qik (10(3 有地震作用參與組合時q v 3=1. 2q gk +1. 3%0. 9q fk +

12、1. 3q Ek +1. 4%i q Qik=1. 2q gk +1. 3%0. 9q fk +1. 3q EK +1. 4%0. 6%q Qik (11可變荷載的組合系數(shù)%i 可以按以下規(guī)定采用:當(dāng)無風(fēng)荷載參與組合時, 可變荷載組合系數(shù)均取1. 0; 當(dāng)有風(fēng)荷載參與作用時, 糧食荷載取1. 0, 其它可變荷載取0. 6; 當(dāng)有地震作用參與組合時, 糧食荷載取0. 9, 地震作用取1. 0, 風(fēng)荷載不計, 屋面活荷載取0. 6。所以, 作用于倉壁單位周長上的豎向壓力基本組合(即荷載設(shè)計值 為:q v =max q v 1, q v 2, q v 32. 1. 2 鋼板筒倉在豎向荷載作用下, 倉

13、壁應(yīng)按下述方法進行穩(wěn)定計算在豎向壓力作用下, 按下式計算:&c &&cr =k p R(12 k p =12#(100t R3/8(13在豎向壓力及儲料水平壓力共同作用下, 按下式計算:&c &&cr =k p R(14 k p =k p +0. 265thk E(15式中:k p 為豎向壓力下倉壁的穩(wěn)定系數(shù); k p 為有內(nèi)壓時倉壁的穩(wěn)定系數(shù); E 為鋼板彈性模量, 取E =206%103N/mm 2; t 為筒倉壁板厚度; &c 為倉壁豎向壓應(yīng)力設(shè)計值, &c =q vt。2. 2 按歐洲規(guī)范4, 5進行計算歐洲規(guī)范4, 5中

14、, 均勻軸壓下圓柱殼屈曲強度標(biāo)準(zhǔn)值為:&RK =x &c r(16式中:x 為折減系數(shù), &cr =0. 605Et/R歐洲規(guī)范4, 5認(rèn)為折減系數(shù)同筒倉中幾何缺陷大小有關(guān), 而后者又同制造過程中的質(zhì)量控制密不可分。根據(jù)不同的制造水平, 依據(jù)三個缺陷指標(biāo):不圓度、連接偏心、凹陷, 將筒倉制造質(zhì)量等級分為(普通 、(好 和(很好 三類。相應(yīng)的缺陷幅值為:w Q17 17第3期 敖曉欽, 等:大型鋼板筒倉荷載計算及穩(wěn)定設(shè)計方法比較其中, 質(zhì)量常數(shù)Q 取16(普通 , 25(好 , 40(很好 。2. 2. 1 無內(nèi)壓時的彈性折減系數(shù)x =0. 621+1. 91w ok /

15、t(182. 2. 2 有內(nèi)壓時的折減系數(shù)(1 有內(nèi)壓時的彈性折減系數(shù):pe =x +(1-x p +0. 3/x(19p =p crR(20式中:p 為最小且可靠的穩(wěn)定設(shè)計處的內(nèi)壓。(2 有內(nèi)壓時的塑性折減系數(shù):pp =1-x 1-11. 12+s s 2+1. 21xs (s +1 (21 式中:s =1400Rt; 相對長細比x =y cr ; p 計算同(20 式, 但內(nèi)壓為穩(wěn)定設(shè)計處的最大值。取pe 和pp 兩者中較小的作為x 代入式(16 進行計算。筒倉按質(zhì)量普通考慮, 質(zhì)量常數(shù)取Q =16。則有內(nèi)壓時國內(nèi)外規(guī)范穩(wěn)定計算的臨界應(yīng)力比值見圖3。圖3 國內(nèi)規(guī)范與歐洲規(guī)范臨界應(yīng)力比值在圖

16、3中有內(nèi)壓時國內(nèi)規(guī)范1的臨界應(yīng)力與歐洲規(guī)范4,5質(zhì)量普通的筒倉臨界應(yīng)力的比值隨著筒倉儲料深度增加而減小。在儲料深度5m 以下, 國內(nèi)規(guī)范計算的臨界應(yīng)力比歐洲規(guī)范4,5的臨界應(yīng)力要小, 最大處小到近20%。在表1中&c 1是在未考慮儲料摩擦力和地震作用下的倉壁豎向壓應(yīng)力設(shè)計值, 即筒倉在不儲存氧化鋁空倉情況下的倉壁豎向壓應(yīng)力設(shè)計值; 而&c 2是考慮了儲料摩擦力和地震作用下的倉壁豎向壓應(yīng)力設(shè)計值。由表1可知, 有內(nèi)壓和無內(nèi)壓時筒倉穩(wěn)定均能滿足GB 50322-20011的要求, 而當(dāng)有內(nèi)壓時穩(wěn)定臨界應(yīng)力比無內(nèi)壓時的要高, 說明內(nèi)壓對筒倉穩(wěn)定是有利的, 能提高筒倉壁板的穩(wěn)定性能。對

17、于歐洲規(guī)范4,5表1中臨界應(yīng)力也都大于倉壁的豎向壓應(yīng)力設(shè)計值, 說明筒倉倉壁的穩(wěn)定也滿足歐洲規(guī)范4, 5的要求。而且同國內(nèi)規(guī)范相似, 有內(nèi)壓時的臨界應(yīng)力比無內(nèi)壓時要高很多。分別用國內(nèi)外規(guī)范對某鋼筒倉倉壁進行了穩(wěn)定驗算, 均滿足要求。表1 國內(nèi)外規(guī)范穩(wěn)定對比(單位:N/mm 2Z /m 內(nèi)壓計算&c 1&c 2GB50322-20011&cr 1&cr 2歐洲規(guī)范4, 5&R K 1&R K 21. 1232. 787. 486. 4015. 595. 129. 103. 1233. 0216. 776. 4021. 725. 1218. 015.

18、 1232. 6521. 208. 7028. 337. 3727. 307. 1232. 8829. 328. 7031. 847. 3733. 849. 1232. 6331. 5011. 1837. 379. 9040. 7811. 1232. 8438. 8311. 1840. 109. 9045. 5813. 1232. 6239. 8013. 8345. 2312. 6851. 8015. 1232. 4940. 7616. 6150. 3215. 6957. 8617. 1232. 6746. 9016. 6152. 4815. 6961. 6719. 1232. 5647. 3

19、519. 5357. 4418. 9267. 4721. 1232. 5047. 8822. 5862. 4222. 3473. 2223. 1232. 4648. 4925. 7467. 4225. 9578. 9325. 1232. 4549. 1529. 0172. 4629. 7384. 6227. 1232. 4749. 8532. 3977. 5333. 6790. 3129. 1232. 4950. 5735. 8682. 6437. 7696. 023 結(jié) 語本文通過實例對我國 糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范! 1和國外規(guī)范25的荷載及穩(wěn)定進行了詳細計算對比, 主要得到以下結(jié)論:(1 按我國規(guī)范計算的筒倉水平壓力及豎向摩擦力總體上比國外規(guī)范的偏小, 說明在計算水平壓力及豎向摩擦力時, 我國規(guī)范是比較經(jīng)濟的。(2 按我國規(guī)范進行穩(wěn)定計算時, 總體上比歐洲規(guī)范筒倉質(zhì)量為普通的低近20%, 說明我國規(guī)范在進行穩(wěn)定設(shè)計時的可靠性。(3 按我國規(guī)范及國外規(guī)范進行穩(wěn)定設(shè)計時, 筒倉的穩(wěn)定設(shè)計均能滿足要