大型钢板筒仓荷载计算及稳定设计方法比较

1、第7卷第3期水利与建筑工程学报Vol. 7No. 3 收稿日期:2009 03 27 收回日期:2009 04 10作者简介:敖晓钦(1979 , 男(汉族 , 江西南昌人, 硕士研究生, 国家一级注册结构工程师, 从事钢结构工程研究。大型钢板筒仓荷载计算及稳定设计方法比较敖晓钦, 陈向荣, 刘瑞蕊(西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安710055摘 要:通过实例对比我国 粮食钢板筒仓设计规范! 与国外规范在储料荷载计算和稳定设计方面的异同, 计算表明按我国规范计算的筒仓水平压力及竖向摩擦力总体上比国外规范的偏小。按我国规范进行稳定计算时, 总体上比欧洲规范筒仓质量为普通的低近20%。中国

2、规范设计的筒仓总体上比较经济, 但存在一定的不安全性。关键词:钢板筒仓; 荷载; 稳定; 国内外规范; 计算对比中图分类号:TU311. 2 文献标识码:A 文章编号: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大型钢板筒仓是由仓筒与漏斗(漏斗未标出组成, 如图1所示, 压力计算及稳定验算是钢板筒仓结构设计的关键问题。本文主要针对大型钢板筒仓介绍国内外规范对筒仓的水平压力、竖向摩擦力计算和稳定验算的不同

6、。图1 筒仓实例1 大型钢板筒仓水平压力和竖向摩擦力的对比1. 1 按 粮食钢板筒仓设计规范! GB50322-20011进行计算大型钢板筒仓的直径一般较大, 筒仓内储料的计算高度h n 与筒仓内径d n 的比值一般都小于1. 5, 所以本文按浅仓进行计算。1. 1. 1 筒仓壁单位水平面上的水平压力标准值P hk 按下式计算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: 为储料的容重(kN/m 3 ; 为筒仓水平净截面的水力半径(m ; 为储料对筒仓壁的摩擦系数; k 为储料侧压力系数; S 为筒仓计算点深

7、度(m 。1. 1. 2 筒仓壁单位面积上竖向摩擦力标准值P fk 按下式计算P fk = k S(41. 2 Design loads for buildings:Loads in silo bins,DIN 1055-Part 62储料对筒仓壁板的水平压力和竖向摩擦力按以下公式计算:水平压力:p h f (z =A (z (5 竖向摩擦力:p wf (z = Au (z (6其中:! (z =(1-e z /z 0, z 0=A式中:z 为仓壁板任意点到仓底的距离(m ; 为储料容重(kN/m 3 ; 为储料与钢板摩擦系数; 为压力比; A 为筒仓横截面面积, A =#R 2; u 为筒仓

8、横截面周长, u =2#R; R 为筒仓内径(m 。1. 3 ISO 11697:1995(E 3储料对筒仓壁板的水平压力和竖向摩擦力按以下公式计算:水平压力:p h f (z = Rz(z (7 竖向摩擦力: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 为仓壁板任意点到仓底的距离(m ; 为储料容重(kN/m 3 ; 为储料与钢板摩擦系数; 为压力比; 为内摩擦角; R 为筒仓内径(m 。1. 4 参数确定取内径d n =28m, 高度h n =29. 123m 储存氧化铝的钢板筒仓来进行对比分析。筒

9、仓高度和内径比为h n /d n =29. 123/28=1. 04<1. 5, 所以按浅仓计算。氧化铝基本参数:容重 =12kN/m 3; 内摩擦角=30#; 储料与钢板摩擦系数 =0. 35。按GB50322-20011:侧压力系数k =tan (45#-/2 =tan(45#-30#/2 =0. 333; 水力半径 =d n /4=28/4=7m 。对DIN 1055-Part62压力比的取值, 可以参照取铝的压力比=0. 65。则国内外规范水平压力和竖向摩擦力比值见图2。由图2可知, GB 50322-20011与Design loads for build ings:Loads

10、 in silo bins, DIN 1055-Part62及ISO 11697:1995(E 3, 两本国外规范2, 3在计算筒仓壁水平压力及竖向摩擦力时, 荷载比值随着筒仓储料深度增加而增大, 在筒仓顶部, 国内规范1计算荷载比国外规范2, 3的要小, 而在底部却相 反。图2 国内规范与国外规范荷载比值总体来看, 在计算筒仓的水平压力和竖向摩擦力时, 国内规范1比国外规范2,3还是稍小, 所以国内规范1荷载计算是偏经济的。2 大型钢板筒仓稳定的对比2. 1 按 粮食钢板筒仓设计规范! GB50322-20011进行计算2. 1. 1 仓壁单位周长上的荷载组合 向力标取值, 仓顶可变荷载换算

11、成作用在仓顶单位周长上的竖向力标准值为q Qik =3. 5kN/m 。筒仓风荷载和地震作用均按GB 50322-20011进行计算。仓壁单位周长上的荷载组合也按GB 50322-20011进行组合, 具体如下:(1 无风荷载参与组合时 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 有风荷载参与组合时 q v 2=1. 2q gk +1. 3q fk +0. 6(q wk +q Qik (10(3 有地震作用参与组合时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可变荷载的组合系数%i 可以按以下规定采用:当无风荷载参与组合时, 可变荷载组合系数均取1. 0; 当有风荷载参与作用时, 粮食荷载取1. 0, 其它可变荷载取0. 6; 当有地震作用参与组合时, 粮食荷载取0. 9, 地震作用取1. 0, 风荷载不计, 屋面活荷载取0. 6。所以, 作用于仓壁单位周长上的竖向压力基本组合(即荷载设计值 为:q v =max q v 1, q v 2, q v 32. 1. 2 钢板筒仓在竖向荷载作用下, 仓

13、壁应按下述方法进行稳定计算在竖向压力作用下, 按下式计算:&c &&cr =k p R(12 k p =12#(100t R3/8(13在竖向压力及储料水平压力共同作用下, 按下式计算:&c &&cr =k p R(14 k p =k p +0. 265thk E(15式中:k p 为竖向压力下仓壁的稳定系数; k p 为有内压时仓壁的稳定系数; E 为钢板弹性模量, 取E =206%103N/mm 2; t 为筒仓壁板厚度; &c 为仓壁竖向压应力设计值, &c =q vt。2. 2 按欧洲规范4, 5进行计算欧洲规范4, 5中

14、, 均匀轴压下圆柱壳屈曲强度标准值为:&RK =x &c r(16式中:x 为折减系数, &cr =0. 605Et/R欧洲规范4, 5认为折减系数同筒仓中几何缺陷大小有关, 而后者又同制造过程中的质量控制密不可分。根据不同的制造水平, 依据三个缺陷指标:不圆度、连接偏心、凹陷, 将筒仓制造质量等级分为(普通 、(好 和(很好 三类。相应的缺陷幅值为:w Q17 17第3期 敖晓钦, 等:大型钢板筒仓荷载计算及稳定设计方法比较其中, 质量常数Q 取16(普通 , 25(好 , 40(很好 。2. 2. 1 无内压时的弹性折减系数x =0. 621+1. 91w ok /

15、t(182. 2. 2 有内压时的折减系数(1 有内压时的弹性折减系数:pe =x +(1-x p +0. 3/x(19p =p crR(20式中:p 为最小且可靠的稳定设计处的内压。(2 有内压时的塑性折减系数:pp =1-x 1-11. 12+s s 2+1. 21xs (s +1 (21 式中:s =1400Rt; 相对长细比x =y cr ; p 计算同(20 式, 但内压为稳定设计处的最大值。取pe 和pp 两者中较小的作为x 代入式(16 进行计算。筒仓按质量普通考虑, 质量常数取Q =16。则有内压时国内外规范稳定计算的临界应力比值见图3。图3 国内规范与欧洲规范临界应力比值在图

16、3中有内压时国内规范1的临界应力与欧洲规范4,5质量普通的筒仓临界应力的比值随着筒仓储料深度增加而减小。在储料深度5m 以下, 国内规范计算的临界应力比欧洲规范4,5的临界应力要小, 最大处小到近20%。在表1中&c 1是在未考虑储料摩擦力和地震作用下的仓壁竖向压应力设计值, 即筒仓在不储存氧化铝空仓情况下的仓壁竖向压应力设计值; 而&c 2是考虑了储料摩擦力和地震作用下的仓壁竖向压应力设计值。由表1可知, 有内压和无内压时筒仓稳定均能满足GB 50322-20011的要求, 而当有内压时稳定临界应力比无内压时的要高, 说明内压对筒仓稳定是有利的, 能提高筒仓壁板的稳定性能。对

17、于欧洲规范4,5表1中临界应力也都大于仓壁的竖向压应力设计值, 说明筒仓仓壁的稳定也满足欧洲规范4, 5的要求。而且同国内规范相似, 有内压时的临界应力比无内压时要高很多。分别用国内外规范对某钢筒仓仓壁进行了稳定验算, 均满足要求。表1 国内外规范稳定对比(单位:N/mm 2Z /m 内压计算&c 1&c 2GB50322-20011&cr 1&cr 2欧洲规范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 结 语本文通过实例对我国 粮食钢板筒仓设计规范! 1和国外规范25的荷载及稳定进行了详细计算对比, 主要得到以下结论:(1 按我国规范计算的筒仓水平压力及竖向摩擦力总体上比国外规范的偏小, 说明在计算水平压力及竖向摩擦力时, 我国规范是比较经济的。(2 按我国规范进行稳定计算时, 总体上比欧洲规范筒仓质量为普通的低近20%, 说明我国规范在进行稳定设计时的可靠性。(3 按我国规范及国外规范进行稳定设计时, 筒仓的稳定设计均能满足要