大型落地式钢筒仓结构破坏模式、原因分析及措施

发布日期：2018年08月15日    浏览次数：2828    关键字： 钢筒仓

【摘要】根据目前已建成的落地式钢筒仓的使用状况，对其破坏模式进行了分析。主要包括：大象脚、热棘轮、褶皱屈曲、基础沉降、腐蚀、极寒地区钢筒仓被冻裂倒塌、地震导致钢筒仓倒塌等。并分析总结了其破坏原因。主要包括：局部失稳、整体失稳、钢板腐蚀、不均匀沉降、焊缝质量不合格、钢材选用不合格等。

     近年来，国家大力实施绿色环保和循环经济的可持续发展策略，要求我们建造大型落地式储备库，提高粉煤灰利用率，减少湿排对环境的破坏。

   大型落地式钢筒仓是一种用于储存粉煤灰、水泥、矿渣粉、氧化铝粉、钛白粉、煤粉及熟料、石灰石等粉粒状物料的构筑物，作为一种薄壳结构，其受力及破坏准则都相当复杂。尤其是筒仓上部钢结构部分，利用有限元分析钢筒仓内部原有储料的刚度对新加入散料后的钢筒仓受力影响进行了分析。钢筒仓内部原有储料增大了该钢筒仓的刚度，继续入料后会在交界处发生刚度突变，造成应力集中现象。我公司专门成立针对各种破坏模式及原因的专家小组进行研究归纳总结，提出措施并及时应用与项目施工中。

典型案例分析

1、局部失稳

    钢筒仓是一种薄壳结构，主要承受储料对仓壁的竖向摩擦力和水平压力。筒仓内部压力过高时，会导致基础附近的仓壁发生严重的局部弯曲，局部屈服会加速筒仓过早地进入弹塑性屈曲。这种破坏模式俗称"大象脚屈曲"，如图1所示。

钢筒仓内部原有储料会增大筒仓的刚度，经过一定时间储存后，继续入料后会在交界处发生刚度突变，造成应力集中现象，有可能致使钢筒仓由常见的"大象脚屈曲"模式转变为该交界处的褶皱屈曲破坏模式。褶皱屈曲是轴向屈曲和环向屈曲的联合作用发生的一种沿环向周圈的叠状凸曲现象，如图2所示。

2、整体失稳

   钢筒仓的仓壁在白天会随着气温的升高而膨胀，在夜晚会随着气温的降低而收缩。在白天钢筒仓膨胀的时候，仓内储料会自由的流动，然后填充在钢筒仓向外膨胀的部位。但是当夜晚仓壁收缩的时候，却很难把储料挤回去，从而导致仓壁增加了额外的拉应力。这种破坏模式称为"热棘轮现象"。热棘轮现象可能会导致钢筒仓发生整体失稳，最终倒塌，如图3所示。

3、焊缝质量不合格

   现场施工人员的焊接技术不成熟，可能会导致焊缝质量不合格，焊缝缺陷将削弱焊缝的受力面积，而且在缺陷处形成应力集中，裂缝往往先从那里开始，并扩展开裂，成为连接破坏的根源，对结构非常不利，如图4所示。

4、不均匀荷载

   钢筒仓在卸料过程中，储料对仓壁产生的拉力和周向压力可能会出现非对称分布和局部应力集中的现象，最终导致了钢筒仓发生收缩式凹陷屈曲破坏。现在大多数地钢筒仓采用高压气力输送储料，仓顶配备高风量除尘器，并且仓底中心出料的工艺方式。在卸料过程中筒仓内产生负压，负压会对仓壁产生较大的不均匀侧向水平力，从而导致筒仓上部分仓壁产生收缩式凹痕屈曲，如图5所示。

5、不均匀沉降

   储料和筒仓的自重荷载使基础承受了相当大的轴向压力，储料的不均匀填充可能会导致在基础上产生不均匀的压力。当储料的自重产生的竖向荷载偏离中心时，筒仓底部的地基将要变形。基础下地基土的局部压力过大可能导致筒仓倾斜，相对沉降甚至倒塌，如图6所示。

6、钢板腐蚀

   钢筒仓的外壁特别容易受到外界环境的腐蚀，如果不采取预防措施，会导致筒仓结构的仓壁腐蚀，紧接着筒仓破坏。有些油漆与钢筒仓仓壁发生酸性反应，从而加速了钢板的腐蚀。随着钢板的腐蚀，钢板的厚度减小，钢板的承载力逐渐降低，从而导致筒仓屈曲破坏，如图7所示。

7、钢材型号选用不合格

   钢结构有一种特殊情况，即在特定条件下低应力状态的脆性断裂。材质不合格和低温等因素都会促成这种断裂。目前，钢筒仓一般都采用高速气压来进行入料和卸料，钢筒仓承受着往复的冲击荷载。在某些寒冷地区，冬季最低温度接近-40°C。对于需要验算疲劳的焊接结构，当这类结构冬季处于温度较低的环境时，若工作温度在0°C和-20°C之间，Q345应选用具有0°C冲击韧性合格的B级钢。若工作温度≤-20°C，则钢材的质量级别还要提高一级，Q345选用D级钢或E级钢。因此，位于寒冷地区的钢筒仓的钢板材质选择错误会导致其发生破坏甚至倒塌，如图8所示。

8、风荷载作用

   满仓时钢筒仓主要承受轴向力和竖向摩擦力，但当钢筒仓内部没有储料或者有部分储料时，横向风荷载可能会导致圆柱壳失稳。作用在圆柱壳表面的径向风压沿着周向和高度方向都是变化的，其中周向的占主导地位。在横向风荷载作用下，圆柱壳中起控制作用的是周向应力。由于风压关于迎风面对称分布，应力和应变也关于该平面对称。径向位移绝对值最大发生在迎风面顶点，向内凹陷，且变形主要集中在迎风范围内，如图9所示。

9、地震作用

   地震动会对筒仓在竖直方向和两个水平方向等这三个方向产生荷载作用。竖直方向的地震荷载对筒仓的作用较小，而水平地震荷载对尤其储存较重物料的深仓产生严重的影响。水平地震作用大小与筒仓的自重成正比。随着筒仓高度增加筒仓的质心高度也随之增加。水平地震荷载大致作用在质心，水平荷载的力臂和相应地基础的弯矩也随之增加。弯矩增加后会导致在筒仓底部的压力分布不均匀，它要高于重力荷载引起的压力。如果在地震过程中筒仓内部的储料发生震动，则地震能使钢筒仓的上部结构发生破坏。

为避免以上情况的发生，保证大型钢板仓结构整体安全性与经济合理性，我公司分别对设计和施工提出一下措施：

1、工艺设计

   根据工艺要求选择合适风量的收尘器、库顶安全阀及其它配套设备，使钢筒仓内外空气相互流通，根据当地气候条件及物料特性选择合适的供风设备，充分考虑卸料过程中储料作用于钢筒仓仓壁的动态压力值，要求客户严格按照我公司提供的操作与维护说明书进行工作。

2、结构设计

2.1 地基处理

传统的钢筒仓和现有的很多厂家还在使用原有的不科学的基础形式，在地质情况较差的环境下，不进行地基处理，造成基础沉降远远超过国家现行的相关规范规定。在原有的钢板筒仓技术基础上，经过深入论证和研究，结合国家相关的规范，以产品安全可靠为基础，保证用户利益不受损失为前提，因地制宜采用不同的地基处理方案，确保基础沉降在规范要求范围内，保证产品的安全可靠。

2.2 解决钢结构低温脆裂及底部连接变形

    由于大型钢板筒仓用于粉状物料储存在中国的发展应用走向市场只不过有几年时间，面向全国市场的时间更是不长，因此出现了地域钢板筒仓使用适应问题，尤其在北方严寒地区，如东北、新疆北部、内蒙等地区出现了由于冬季温度低造成钢板仓筒仓产生低温脆裂，造成钢板筒仓倒塌事故。公司通过考察研究，经过计算论证优化设计从以下几方面彻底的解决了这一大安全隐患问题：

   （1）根据结构特点和受力情况，选用力学性能好的Q345系列材质钢材，在南方地区一般采用Q345B型，在北方严寒地区采用Q345D\E型钢材。

   （2）优化仓壁与基础的连接方式，传统做法为库壁直接与基础预埋件焊接，造成在低温状态下库壁钢板与基础混凝土收缩变形不一致，容易造成结构损坏。为解决这一问题，在筒仓基础上优化设计为预埋螺栓与库壁法兰进行连接，螺栓孔为椭圆形，是库壁在温度变化时有温度变形空间，彻底的解决了钢板库的热胀冷缩问题。

      （3）在库内填充与库壁之间增加弹性苯板等弹性材料，保证库壁在低温状态下的变形空间。

2.3 提高筒仓整体稳定性

   （1）筒仓顶部球壳采用球形网架结构，该结构为空间受力体系，较传统的二维桁架式结构更加合理。

   （2）筒仓周圈内侧增设独立的加强立柱，间距为6~7米（46米直径库周圈设计不少于20根），与库顶加强环梁形成相对独立竖向支撑称重结构，有效的分担库壁的竖向受力，大幅度的提高库体结构的安全稳定性。

   （3）仓壁合理设置竖向加强劲和环向加强劲，竖向加强筋间距一般控制在0.9米到1.5米，环向坚强筋间距不大于1.5米，使竖向加强筋与环向加强筋有效的形成区格小于1.5x1.5米的有限单元。按照有限元设计理论更加提高了结构的整体稳定性。

   （4）在仓壁顶端增设环向组合加强钢梁，有效的加强仓壁顶端的最薄弱部位，同时有效的使库顶荷载均匀的分配到库内加强立柱上，使结构受力更加的明确合理，有效的保证了结构的安全可靠性。

3、施工质量

选择优秀的施工队伍，严格按照施工蓝图施工，遵守《钢结构工程施工质量验收规范》以及相关的验收规范规定，做好过程控制与监督工作，时时检查钢筒仓的外形、焊缝质量等是否合格。做到安全出质量，质量保安全。

总结：

通过以上工程案例较为系统地介绍了国内外钢筒仓的各种破坏模式，并分析总结了导致破坏模式的原因以及提出避免出现事故的建议。这项研究具有一定的意义，能够为以后钢筒仓的设计、建造及使用提供参考。