鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的中外規(guī)范比較

摘" 要：鋼筒倉在倉壁、倉裙及漏斗相交處容易發(fā)生平面外屈曲破壞，通常在相交處設(shè)置一道環(huán)梁來抵抗破壞，相交處環(huán)梁穩(wěn)定對鋼筒倉安全運行起著至關(guān)重要的作用。環(huán)梁通常分T型環(huán)梁與環(huán)板環(huán)梁2種。環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度是環(huán)板環(huán)梁的2個主要參數(shù)，為進一步研究其對環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的影響，以某項目鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁為例，分別依據(jù)中國規(guī)范、歐洲規(guī)范的計算方法，深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，比較分析中國規(guī)范與歐洲規(guī)范計算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筒倉;環(huán)板環(huán)梁;穩(wěn)定承載力;倉壁;倉裙;漏斗

中圖分類號：TU311.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0098-04

Abstract： Steel silos are prone to out-of-plane buckling failure at the intersection of silo walls， silo skirts and funnels. A ring beam is usually set at the intersection to resist damage. The stability of the ring plate and ring beam at the intersection plays a crucial role in the safe operation of the steel silo. Ring beams are usually divided into two types： T-shaped ring beams and ring plate ring beams. Ring plate and ring beam width and ring plate and ring beam thickness are the two main parameters of ring plate and ring beam. In order to further study their influence on the stable bearing capacity of ring plate and ring beam， taking a steel silo ring plate and ring beam as an example， and based on the calculation methods of China codes and European codes respectively， the relationship between ring plate and ring beam width and ring plate and ring beam thickness and ring plate and ring beam stability bearing capacity is deeply studied， the differences between the calculated values of China codes and European codes are compared and analyzed， and reasonable suggestions are put forward to provide reference for similar projects.

Keywords： steel silo; ring plate and ring beam; stable bearing capacity; silo wall; silo skirt; funnel

鋼筒倉是一種用于各種物料的直立鋼容器，按平面形狀可分為圓形、方形、矩形和多邊形，按支承方式可分為落地式、高架式，其中高架式圓形鋼筒倉的應(yīng)用最為廣泛。高架式圓形鋼筒倉結(jié)構(gòu)通常由倉壁、倉裙、倉頂、漏斗、立柱和環(huán)梁組成。由于在倉裙、倉壁及漏斗的相交處存在較大的來自于漏斗傳遞過來的環(huán)向壓力，容易使鋼筒倉在相交處發(fā)生平面外屈曲破壞，因此通常在相交處設(shè)置一道環(huán)梁來抵抗相交處的破壞?；谝陨显?，對環(huán)梁的穩(wěn)定承載力進行深入研究非常必要。環(huán)梁通常分T型環(huán)梁與環(huán)板環(huán)梁2種。目前關(guān)于高架式圓形鋼筒倉環(huán)梁的穩(wěn)定性問題，一方面，國內(nèi)外已有一些學者進行了相關(guān)的研究，如1983年Jumikis等[1]研究了環(huán)板環(huán)梁的彈性平面外屈曲問題;1987年Rotter[2]研究了環(huán)板環(huán)梁的平面外塑性屈曲問題;1991年Teng等[3]研究了環(huán)板環(huán)梁及T型環(huán)梁的塑性屈曲行為;1997年Teng等[4]提出了環(huán)板環(huán)梁的平面外塑性屈曲強度的設(shè)計公式;2000年Teng等[5]提出了T型環(huán)梁的平面外塑性屈曲強度的設(shè)計公式;2000年藤錦光等[6]總結(jié)了連接處環(huán)梁穩(wěn)定設(shè)計的一整套設(shè)計公式;2005年俞激[7]研究了柱支承鋼板倉的穩(wěn)定性能和強度;2006年王小麗[8]研究了轉(zhuǎn)折環(huán)梁加強的柱支承鋼筒倉的結(jié)構(gòu)行為。另一方面，部分國家已頒布了關(guān)于鋼筒倉的相關(guān)規(guī)范，如2007年歐洲的EN 1993-1-6：2007《Eurocode 3- Design of steel structures - Part 1-6： Strength and Stability of Shell Structures》[9]和EN 1993-4-1：2007《Eurocode 3- Design of steel structures - Part 4-1：Silos》[10]，2011年中國的GB 50322—2011《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》[11]和2013年中國的GB 50884—2013《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》[12]。

現(xiàn)有文獻分別提供了關(guān)于環(huán)梁穩(wěn)定性的計算，如文獻[11]中5.4.4條和文獻[12]中5.4.4條均已提供了在水平荷載作用下環(huán)梁的穩(wěn)定性的計算方法，但未針對不同類型的環(huán)梁給出不同的計算方法;文獻[10]中8.3.4條已提供了不同類型的環(huán)梁穩(wěn)定承載力計算方法，且文獻[10]中8.3.4.3條提供了環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計算方法。

環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度是環(huán)板環(huán)梁的2個主要參數(shù)，為了進一步研究其對環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的影響，以某項目圓形鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁為例，分別依據(jù)中國規(guī)范、歐洲規(guī)范的計算方法，深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度、環(huán)板環(huán)梁厚度與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，比較分析中國規(guī)范與歐洲規(guī)范計算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

1" 歐洲規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計算方法

根據(jù)文獻[10]中式8.32～8.37，環(huán)板環(huán)梁組合截面平面外穩(wěn)定承載力計算公式如下

σθcr=kE，

k=，

ηs=0.43+0.1，

ηc=0.5++，

ks=0.385+0.452，

kc=1.154+0.56，

式中：E為鋼材彈性模量;r為倉壁的半徑;tc為倉壁的厚度;ts為倉裙的厚度;th為漏斗的厚度;tp為環(huán)板環(huán)梁的厚度;bp為環(huán)板環(huán)梁的寬度;ks為純簡支約束時的穩(wěn)定系數(shù);kc為純固定約束時的穩(wěn)定系數(shù);k為半剛性約束時的穩(wěn)定系數(shù);ηs為純簡支約束時的截面系數(shù);ηc為純固定約束時的截面系數(shù)。

歐洲規(guī)范的公式考慮了與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉壁、倉裙、漏斗）對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束，且按介于簡支與固定之間的半剛性約束考慮，提供了環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣處于純簡支約束與純固定約束時的分配系數(shù)計算。

令

cs=，cc=。

則文獻[10]中式8.33可以簡化為以下公式

k=ks+kc=csks+cckc，

式中：cs為純簡支約束時的分配系數(shù);cc為純固定約束時的分配系數(shù)。

2" 中國規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計算方法

根據(jù)文獻[12]中式5.4.4，在水平荷載作用下，環(huán)梁的穩(wěn)定性計算公式為

Nm cosα≤Ncr=0.6，

式中：Nm為漏斗壁傳來的徑向拉力;E為鋼材彈性模量;Iy為環(huán)板環(huán)梁截面慣性矩;r為環(huán)板環(huán)梁半徑;Ncr為單位長度環(huán)板環(huán)梁的臨界徑向壓力值。

根據(jù)文獻[12]中5.4.4條文說明，中國規(guī)范關(guān)于環(huán)板環(huán)梁的穩(wěn)定性計算公式是建立在圓弧拱分析基礎(chǔ)上，該計算方法未充分考慮與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉壁、倉裙、漏斗）對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束。然而實際上，環(huán)板環(huán)梁的穩(wěn)定承載力跟與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉壁、倉裙、漏斗）對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束有關(guān)，這種約束既不是純簡支，也不是純固定，而是介于簡支與固定之間的半剛性約束。因此，按中國規(guī)范計算的環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力偏于保守，經(jīng)濟性較差。

3" 項目實例分析

3.1" 項目概況

某項目采用高架式圓形鋼筒倉，其中倉頂為水平倉頂，倉壁高度為5 m、半徑為2.5 m、厚度為10 mm，倉裙高度為500 mm、厚度為10 mm，漏斗與水平面夾角為60°、底部半徑為0.5 m、厚度為8 mm，如圖1所示。環(huán)梁采用環(huán)板環(huán)梁，環(huán)板環(huán)梁計算采用組合截面，如圖2所示。鋼筒倉材質(zhì)均為Q235B。

為了研究環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp這2個主要參數(shù)與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力之間的關(guān)系，針對以上項目的環(huán)板環(huán)梁組合截面，假定其中一個參數(shù)不變，選取另一個參數(shù)為變量，分別根據(jù)中國規(guī)范、歐洲規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國規(guī)范與歐洲規(guī)范計算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。

3.2" 環(huán)板環(huán)梁厚度研究

為了進一步深入研究環(huán)板環(huán)梁厚度tp與環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的關(guān)系，假定環(huán)板環(huán)梁寬度bp不變，選取環(huán)板環(huán)梁厚度tp作為變量，分別根據(jù)中國規(guī)范、歐洲規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國規(guī)范與歐洲規(guī)范計算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。具體取值如下。

已知環(huán)板環(huán)梁寬度bp為250 mm，分別選取環(huán)板環(huán)梁厚度tp為10、12、14、16和18 mm，根據(jù)文獻[12]、文獻[10]計算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，見表1。

將表1的數(shù)據(jù)制成對比圖，如圖3所示。

由表1和圖3可知，按歐洲規(guī)范計算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力遠大于按中國規(guī)范計算的計算值，二者比值在9.80～16.78之間。對于已知的鋼筒倉，當環(huán)板環(huán)梁寬度bp已定時，按照2種規(guī)范計算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力均隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而增大，其中按中國規(guī)范的計算值隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而稍有增大，而按歐洲規(guī)范的計算值隨環(huán)板環(huán)梁厚度tp增加而顯著增大。在進行圓形鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁截面設(shè)計時，若按歐洲規(guī)范計算，宜優(yōu)先選取較大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的截面;若按中國規(guī)范計算，不宜采用增大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的方法來提高環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力。

3.3" 環(huán)板環(huán)梁寬度研究

為了進一步深入研究環(huán)板環(huán)梁寬度與環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力的關(guān)系，假定環(huán)板環(huán)梁厚度tp不變，選取環(huán)板環(huán)梁寬度bp作為變量，分別根據(jù)中國規(guī)范、歐洲規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，通過比較分析，找出中國規(guī)范與歐洲規(guī)范計算值之間的差異，提出合理化建議，為類似工程提供參考。具體取值如下。

已知環(huán)板環(huán)梁厚度tp為10 mm，分別選取環(huán)板環(huán)梁寬度bp為200、225、250、275和300 mm，根據(jù)文獻[12]、文獻[10]計算環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力，見表2。

將表2的數(shù)據(jù)制成對比圖，如圖4所示。

由表2和圖4可知，按歐洲規(guī)范計算的環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力遠大于按中國規(guī)范計算的計算值，二者比值在4.33～26.41之間。對于已知的鋼筒倉，當環(huán)板環(huán)梁厚度tp已定時，按中國規(guī)范的計算值隨環(huán)板環(huán)梁寬度bp增加而稍有增大，而按歐洲規(guī)范的計算值隨環(huán)板環(huán)梁寬度bp增加而顯著減小。在進行圓形鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁截面設(shè)計時，若按歐洲規(guī)范計算，需優(yōu)先選取較小環(huán)板環(huán)梁寬度bp的截面;若按中國規(guī)范計算，需優(yōu)先選取較大環(huán)板環(huán)梁寬度bp的截面。

4" 結(jié)束語

1）中國規(guī)范關(guān)于鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力的計算是建立在圓弧拱分析基礎(chǔ)上，未充分考慮與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉壁、倉裙、漏斗）對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束，而歐洲規(guī)范考慮了與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元（包括倉壁、倉裙、漏斗）對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的半剛性約束，按中國規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力計算值與實際不符，該計算方法相對保守。

2）通過項目實例分析，按歐洲規(guī)范計算的圓形鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁穩(wěn)定承載力遠大于按中國規(guī)范計算的計算值，對于已知的鋼筒倉，當環(huán)板環(huán)梁寬度已定、環(huán)板環(huán)梁厚度不同時，2種規(guī)范計算結(jié)果的比值在9.80～16.78之間，當環(huán)板環(huán)梁厚度已定、環(huán)板環(huán)梁寬度不同時，2種規(guī)范計算結(jié)果的比值在4.33～26.41之間。

3）關(guān)于鋼筒倉環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力的穩(wěn)定系數(shù)，建議按公式k=csks+cckc計算，考慮到工程實際項目中環(huán)板環(huán)梁厚度不小于與環(huán)板環(huán)梁相鄰的結(jié)構(gòu)單元的厚度，當環(huán)板環(huán)梁厚度與倉壁厚度、倉裙厚度、漏斗厚度均相等時，與環(huán)板環(huán)梁相鄰的倉壁、倉裙、漏斗對環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣的約束作用最顯著，規(guī)定此時環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣簡支時分配系數(shù)cs達到最小值0.2，環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣固定時分配系數(shù)cc達到最大值0.8，即0.2≤cslt;1，0lt;cc≤0.8，且cs+cc=1，環(huán)板環(huán)梁內(nèi)緣處于純簡支與純固定約束時的穩(wěn)定系數(shù)ks、kc分別按文獻[10]的規(guī)定取值。

4）在按中國規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力時，環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp均對環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力不敏感，在實際工程中可優(yōu)先通過增大環(huán)板環(huán)梁寬度bp的方式來提高環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力。

5）在按歐洲規(guī)范計算環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力時，環(huán)板環(huán)梁厚度tp、環(huán)板環(huán)梁寬度bp均對環(huán)板環(huán)梁組合截面的穩(wěn)定承載力較敏感，在實際工程中可通過減小環(huán)板環(huán)梁寬度bp及增大環(huán)板環(huán)梁厚度tp的方式來提高環(huán)板環(huán)梁組合截面穩(wěn)定承載力。

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[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼筒倉技術(shù)規(guī)范：GB 50884—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.

第一作者簡介：李振興（1984-），男，高級工程師。研究方向為工程項目管理。