在中國，各行業(yè)鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)可能超過百萬，因各種不明原因?qū)е峦矀}破壞的案例雖曾發(fā)生，但比例應(yīng)該算是極低的。基于此種現(xiàn)狀，專業(yè)設(shè)計人士對于混凝土筒倉規(guī)范的可靠度深信不疑。理由很簡單，中國筒倉規(guī)范考慮了深倉水平增大系數(shù)2.0, 高徑比超過3.0的深倉還要再乘以1.1的放大系數(shù)，對于偏心卸料，還要考慮偏心增大系數(shù)。簡單瀏覽一下國際筒倉規(guī)范，發(fā)現(xiàn)美國筒倉規(guī)范，其筒倉壓力增大系數(shù)僅為1.5，德國筒倉標(biāo)準(zhǔn)的增大系數(shù)綜合估算約為1.15。而且，2010年前的中國混凝土設(shè)計規(guī)范要求軸心受拉結(jié)構(gòu)鋼筋的強度允許值不超過300mpa，即便采用三級鋼，也只能取fy-300mpa，這又是一道安全防線。

　　在國際工程項目中卻經(jīng)常遇見業(yè)主或咨詢工程師不太放心中國標(biāo)準(zhǔn)，尤其是歐美行業(yè)內(nèi)大客戶，往往要求按照德國標(biāo)準(zhǔn)或美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計筒倉結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計案例和審圖溝通，深入理解DIN標(biāo)準(zhǔn)和ACI標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于筒倉水平荷載計算方法和特殊要求后，發(fā)現(xiàn)中國筒倉規(guī)范的確存在一些矛盾和不足，與國際標(biāo)準(zhǔn)比較發(fā)現(xiàn)其可靠度并不高。

　　1.GB50077-2003庫壁物料水平壓力設(shè)計值計算結(jié)果小于ACI313-1997

　　中國筒倉規(guī)范設(shè)計方法與ACI313-1997相近，均考慮水平壓力增大系數(shù)和偏心卸料系數(shù)，均采用基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，都采用楊森公式計算側(cè)壓力。但ACI313-1997側(cè)壓力系數(shù)K=1-sinφ, 高于GB的K=tan^2(45-φ/2)，ACI水平荷載計算結(jié)果明顯高于GB50077-2003。ACI規(guī)定活荷載分享系數(shù)取1.7, 恒荷載分項系數(shù)取1.4，所以結(jié)構(gòu)可靠度更高。

　　下表是直徑為45m。高度29m的孰料庫計算結(jié)果對照表。筒倉為淺倉，多點卸料，無庫底板，儲料直接落地，考慮18m卸料口偏心。表中各參數(shù)含義同國標(biāo)規(guī)范。表中配筋面積均為剛好滿足各自規(guī)范的承載力設(shè)計值要求。混凝土C40,鋼筋HRB500，fy=435mpa。

表1-1

Silo wall analysis-GB50077-2003

表1-2

Silo wall analysis-ACI313-1997

　　以上兩個表中的對應(yīng)高度物料水平側(cè)壓力值，ACI計算結(jié)果 ph標(biāo)準(zhǔn)值為GB的1.51倍，考慮活荷載分項系數(shù)ACI為1.7，GB采用1.3，ACI水平壓力設(shè)計值計算結(jié)果為GB的1.975倍。ACI與GB一樣，對于淺倉水平壓力增大系數(shù)均取1.0。對于深倉，ACI側(cè)壓力放大系數(shù)為1.5，以φ=30度的物料為例，ACI側(cè)壓力設(shè)計值與GB的比例為((1-SIN(30))*1.5*1.7)/(TAN^2(45-30/2)*2*1.3)=1.47倍?？梢姡瑹o論對于深倉還是淺倉，GB的可靠度均低于ACI。

　　對于有均化功能的筒倉，ACI規(guī)定，其側(cè)壓力荷載均取0.6*γ*h，遠(yuǎn)大于按照楊森公式計算結(jié)果。而國標(biāo)對于均化庫沒有明確規(guī)定，只注明水平壓力增大系數(shù)不適用于有減壓錐或特殊促流裝置的筒倉。一般情況下，均化庫被當(dāng)作普通筒倉設(shè)計，且沒有考慮偏心卸料影響，不能排除因偏心卸料或均化過程導(dǎo)致物料壓力急劇增大從而引起爆庫的可能。

　　1.GB5007-2003配筋量由裂縫控制，不利于高強度鋼筋的使用

　　由于偏心卸料荷載為偶然荷載，裂縫計算不考慮偏心荷載。在GB計算表中取消偏心荷載后，保持配筋面積不變，發(fā)現(xiàn)各段倉壁裂縫寬度為0.37-0.49mm，距離規(guī)范要求的0.2mm相差甚遠(yuǎn)，為滿足規(guī)范的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)，需要增加較多鋼筋。而在ACI計算表中取消偏心荷載，保持配筋面積不變，各段倉壁裂縫寬度為0.24-0.30mm，比較接近ACI規(guī)定的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)0.25mm，幾乎不需要增加鋼筋。在GB計算表中，若把鋼筋強度改為HRB300，則承載力需要的配筋量比HRB500增加近一倍，取消偏心荷載后倉壁裂縫寬度在0.18mm，能滿足規(guī)范要求。可見，中國標(biāo)準(zhǔn)筒倉設(shè)計規(guī)范是建立在低強度鋼材基礎(chǔ)上的，不利于推廣使用高強度鋼筋，與現(xiàn)行節(jié)能低碳發(fā)展國策相矛盾，也與新版混凝土設(shè)計規(guī)范提倡使用高強度鋼筋的思路相矛盾。

　　特別指出，對于深倉，GB未明確計算倉壁裂縫寬度是否應(yīng)考慮水平壓力增大系數(shù)。一般設(shè)計中均包含了水平壓力增大系數(shù)。這是GB規(guī)范鋼筋數(shù)量最終由裂縫寬度控制的原因。而ACI明確規(guī)定，計算裂縫寬度不考慮深倉壓力增大系數(shù)。水平壓力增大只是瞬時效應(yīng)，按照正常使用極限狀態(tài)設(shè)計理論，裂縫計算可不考慮水平壓力增大系數(shù)，若將裂縫寬度控制在0.3mm，則承載力計算所需鋼筋與裂縫控制鋼筋數(shù)量相近，但此時的配筋量僅相當(dāng)于ACI標(biāo)準(zhǔn)的一半，結(jié)構(gòu)安全是否有保證無從得知。

　　2.GB對于支承筒壁無明確驗算公式

　　GB50077-2003對于倉壁水平壓力計算比較明確，但對于支撐筒倉的底部筒壁強度和穩(wěn)定沒有明確計算公式，若不采用有限元計算，無法判斷結(jié)構(gòu)的可靠性。尤其對于儲存物料密度大，筒倉底部高度大，儲存量巨大的筒倉，倉底筒壁厚度根據(jù)經(jīng)驗選擇很難保證結(jié)構(gòu)的可靠性。而ACI則規(guī)定，筒壁底部支撐部分軸向壓應(yīng)力σ<=0.55*0.7*fc。其中0.55為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)，0.7為滑膜施工混凝土強度降低系數(shù)。在實際設(shè)計工作中，有人以σ<=fc為判斷支撐筒壁安全的條件，其可靠度明顯很低。

　　3.GB50077-2003與DIN EN1991-4-2010的差別

　　DIN筒倉標(biāo)準(zhǔn)是建立在三維精確分析基礎(chǔ)上的，其區(qū)分筒倉類型，倉壁類別，荷載級別，分別采用對稱荷載，偏心荷載，大偏心荷載計算。筒倉類型根據(jù)高徑比分為擋墻式筒倉(retaining)，淺倉(squat)，中間倉(intermediate)，深倉(slender)。DIN對于倉壁劃分，根據(jù)摩擦系數(shù)從D1-D4，根據(jù)厚度分為薄壁和厚壁。DIN荷載等級分三個級別。對于荷載級別為一級和二級時，可采用簡化計算，在對稱荷載條件下考慮管流補丁荷載和偏心荷載作用下均布對稱荷載的增大系數(shù)，該設(shè)計方法類似GB和ACI計算方法。對于荷載級別為三級的筒倉，其明確要求進行大偏心荷載條件下精確分析倉壁應(yīng)力。對于荷載等級為一級的情況，即儲量在1000t以下，可以認(rèn)為DIN標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果略低于GB標(biāo)準(zhǔn)。其它情況下DIN標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果比較復(fù)雜，很難找到與GB對應(yīng)關(guān)系。

　　DIN標(biāo)準(zhǔn)大偏心荷載是一種隨機荷載，其作用范圍，峰值可能變化，DIN規(guī)定至少計算三種管流半徑條件下的偏心荷載。

　　DIN標(biāo)準(zhǔn)荷載分布圖如下圖

　　上圖為對稱荷載，下圖左為偏心管流半徑，下右為偏心荷載分布。

　　同樣以D45mx29m孰料庫為例，若荷載等級劃分為二級時，即不考慮大偏心情況下，儲量小于10,000t，可得下表計算結(jié)果，

　　表1-3

　　Silo wall analysis-DIN EN1991-4-2010

　　表中Phe,u為考慮補丁荷載增大系數(shù)后的倉壁水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值。以S(Z)=32.9m為對比，歐標(biāo)活荷載系數(shù)為1.6，則DIN水平壓力設(shè)計值與GB的比值為1.6*231.21/1.3/229.2=1.24倍，可靠度高于GB。但大直徑多點卸料筒倉，其偏心率e/d>0.25，必須按照大偏心荷載精確分析。

　　下表是根據(jù)DIN標(biāo)準(zhǔn)分析的三種偏心荷載。

　　采用sap200建立三維有限元模型，將第一組偏心荷載Phce1, phse, phae1輸入模型，可以計算出各單元應(yīng)力分布，如下圖。底部色標(biāo)從左邊粉紅到中部桔黃色區(qū)域代表壓應(yīng)力，從中部黃色到右側(cè)藍(lán)色代表拉應(yīng)力。

　　倉壁偏心荷載下水平應(yīng)力圖（外表面）

　　上圖倉壁中間紅色應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)Phce,兩側(cè)綠色區(qū)域?qū)?yīng)Phae

　　倉壁偏心荷載下水平應(yīng)力圖（內(nèi)表面）

　　上圖倉壁中間綠色區(qū)域?qū)?yīng)Phce, 兩側(cè)紅色區(qū)域?qū)?yīng)Phae

　　可見，Phce對應(yīng)的偏心荷載區(qū)域，即DIN荷載分布圖中區(qū)域4，庫壁外側(cè)出現(xiàn)較小壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，說明該處有局部彎矩。Phae對應(yīng)區(qū)域，即DIN荷載分布圖中區(qū)域3，庫壁外側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較小壓應(yīng)力，截面上也存在彎矩。由于壓應(yīng)力接近于零，可近似認(rèn)為偏心荷載作用區(qū)域截面應(yīng)力成三角形分布，phce對應(yīng)區(qū)域，截面拉力合力中心在截面靠內(nèi)側(cè)1/3處，phae對應(yīng)區(qū)域，截面拉力合力中心在靠外側(cè)1/3處。截面承載力所需總抗拉鋼筋為4-d28@80，若對稱配置在截面兩側(cè)，則兩側(cè)鋼筋均不能抵抗截面彎矩所需要的配筋。由于鋼筋直徑受到限制，鋼筋間距不能過小，這種情況下，筒倉采用普通鋼筋已不能滿足工程需要。應(yīng)當(dāng)注意，偏心荷載產(chǎn)生的區(qū)域是隨機的，故分析所得的最不利應(yīng)力分布可能隨機出現(xiàn)在倉壁整個周長范圍內(nèi)，則筒壁截面兩側(cè)的配筋量將遠(yuǎn)大于GB分析結(jié)果。洞口加強鋼筋可根據(jù)洞口周邊3倍筒壁厚度的寬度范圍內(nèi)應(yīng)力分布進行設(shè)計。進一步分析模型計算結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)偏心荷載作用下，有限元單元內(nèi)不僅存在彎矩，還存在水平剪力。按照目前普遍認(rèn)識，混凝土在開裂狀態(tài)下的抗剪切承載能力幾乎為零。所以DIN標(biāo)準(zhǔn)要求大直徑庫必須采用預(yù)應(yīng)力，一方面可有效控制鋼筋總量，另一方面可防止倉壁剪切破壞。

　　結(jié)論與建議/Conclusion & recommendation

　　中國鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范的可靠度是否需要提高到與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，需要大量實測數(shù)據(jù)和研究結(jié)論作為參考。部分未明確規(guī)定的內(nèi)容，需要在新版規(guī)范中給出明確規(guī)定，如帶減壓錐筒倉水平壓力計算方法，支承筒壁強度和穩(wěn)定計算，高強度鋼筋應(yīng)用用，筒壁洞口加強鋼筋計算。對于有均化功能的筒倉，應(yīng)結(jié)合行業(yè)工藝流程，給出水平壓力計算方法，以提高結(jié)構(gòu)可靠度。對于偏心荷載引起的倉壁應(yīng)力最不利分布，應(yīng)給予高度重視，目前粗放型的增大系數(shù)，只會增加鋼材的用量，并非解決問題的準(zhǔn)確辦法。提高結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)下的安全度，適當(dāng)放寬裂縫寬度的限制，可參考ACI 標(biāo)準(zhǔn)0.25mm，或DIN標(biāo)準(zhǔn)0.3mm，這有利于推廣高強度鋼筋的應(yīng)用。對裂縫寬度有特殊要求的環(huán)境，可采用預(yù)應(yīng)力筒倉。對滑膜施工可能對混凝土強度的影響應(yīng)給予考慮。可參考DIN標(biāo)準(zhǔn)，針對不同筒倉直徑給出筒倉水平鋼筋最大直徑限制，避免小筒倉采用過大直徑的鋼筋。