粮食筒仓受力特征及震害机理分析

◎ 胡亚民，段君峰

（1.郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001；2.郑州工业应用技术学院 建筑工程学院，河南 郑州 451150）

粮食是关系国计民生和国家经济安全的重要战略物资。虽然近年来我国粮食产量连年提升，但面对复杂多变的国际形势、全球气候问题、自然灾害和社会风险，仍需居安思危，确保粮食储备安全[1]。在粮食全产业链高速发展的今天，仓储结构已成为粮食生命线工程系统中关键节点的重要组成部分。仓储结构的安全保证了粮食安全储备和粮食生命线工程的正常运行。地震是人类社会危害最大的突发性自然灾害之一，地震对仓储结构的破坏远高于其他工业建筑，几乎所有的仓储设施都会受到不同程度的破坏。地震对仓储结构的破坏不仅影响相关生产的正常运行，造成内部储料泄漏，还会带来大量的资源浪费或二次污染，甚至引发次生灾害[2-3]。

粮食仓储在确保灾后粮食供应、保障救灾顺利进行等方面发挥重要作用，因此粮食仓储设施的抗震防灾研究，对粮食安全、经济稳定以及灾后补给都具有重要的现实意义。鉴于此，本文对粮食仓储设施中常见的筒仓结构类型及其特征进行总结，并结合震害实例对筒仓的受力性能和震害机理进行分析，以期为筒仓结构的抗震设计提供参考。

1 筒仓的类型及受力特性

1.1 筒仓类型

筒仓（图1）具有占地面积小、机械化程度高、造价低等优点，被广泛应用于粮食港口、码头、储备库及加工厂等，是一种较为科学，具有较大发展和应用前景的仓型[4-5]。在筒仓100多年的发展历程中，根据不同的功能需求，以及因地制宜、因材施用的原则，涌现出了多种多样的仓型和结构形式，具体分类如图2所示[5]。

图1 筒仓图

图2 筒仓的分类图

目前，我国工程中多采用钢筋混凝土圆形筒仓结构形式。根据筒仓高径比或散体破裂面分为深仓和浅仓2大类仓型，其中采用高径比分类简单直观且应用广泛[6-7]。当H/D≥1.5时为深仓；当0.4＜H/D≤1.0时为浅仓（H为筒仓深度，D为圆仓内径）。表1给出了我国常用的筒仓结构布置形式和特点。

表1 筒仓结构形式和特点表

1.2 筒仓受力性能分析

筒仓属于特种结构，主要特点在于结构高大、重心高、体积大，在地震作用下，能够产生较大的附加弯矩和剪力，较易发生破坏；内部散体质量远大于结构自重，且散体既作为活荷载，同时又作为体系的一部分影响着结构的力学行为和动态特性[8-9]。同其他结构相比，筒仓结构除了承受风载、雪载、地震荷载等作用外，还需要考虑内部散体对结构的作用，同时还必须考虑进出仓过程中所产生的流动冲击荷载[10]。此外，筒仓内部储存的散体虽具有流体的流动性，却又不像流体一样能够向各方向等同地传递压强，其物理特性极具复杂性，具有不同于流体、固体和凝聚态物理的特殊力学行为。因此，在动力响应下，散体与筒仓之间存在着复杂的相互作用，宜综合考虑散体与固体相互运动时压力、速度的分布变化，以及各种耦合效应、能量转换和损失等[11]。现有国家筒仓规范针对地震下的粮食重力代表值按粮食总仓容的80%考虑。

2 筒仓震害特征及破坏因素分析

2.1 筒仓震害特征

历次震害资料表明，筒仓结构在地震中根据不同结构特点受到不同程度的破坏，直接造成生产中断，严重者发生倾斜倒塌造成粮食资源损失，同时影响灾后粮食供给和保障，实际工程设计应对其在地震中的安全性予以重视。以往的震害调研中，很少有对仓储结构进行专门的震害调查和分析，因此现阶段专门针对筒仓结构的震害调研资料比较有限。筒仓微小的沉降不均或轻微裂缝、变形等，不会造成严重的危害；一旦倒塌，则会造成内部储料泄露，严重危及人们生命和财产安全。

近年来我国发生的地震震害资料表明，柱承式方仓震害严重，筒壁支承的圆形筒仓震害轻微[12]。其中，唐山地震中柱承式筒仓的倒塌及严重损害率，在9度烈度区约为22.2%，10～11烈度区约为46.6%。柱承式筒仓破坏部位大多在柱与其上部仓壁或与基础连接的部位，筒壁支承的圆形筒仓几乎没有倒塌。从宏观震害调查结果来看，无论是方仓还是圆仓，仓体本身均基本完好，震害轻微。震害资料表明，筒仓结构破坏往往发生在筒仓不同部位连接处（如柱子与仓壁、环梁交接处，仓壁与锥斗交接处等），由于刚度、几何尺寸突变，易出现应力集中[13-14]。特别是柱承式筒仓，是一种对抗震不利的“鸡腿”结构，支承柱上部的仓体结构相对于支承柱可视作大型刚体，而下部支承柱抗侧刚度较小，不利于抵抗剪力和侧移，由于应力局部增高，连接处在地震作用下易发生断裂。柱子往往遭到斜拉破坏，仓体随之倒塌。此外，在地震作用下，因地基变形造成基础转动，柱弯矩图的反弯点相应下降，柱顶端内力大于底端。柱底端埋于地面以下，受地坪和周圈土壤的影响能起有利作用，因此柱底端的震害稍轻于柱顶。此外，地震运动不仅存在水平及垂直加速度，还有转动分量，尤其在满仓情况下，储料竖向压力过大，支承柱的轴压比增高，导致其延性不足，难以消耗地震作用的惯性力，致使筒体倒塌。例如，汶川地震中柱承式圆形筒仓严重破坏率为28%[15]。

图3给出了筒仓结构常见的几种破坏形式。从结构材料来说，混凝土筒仓的抗震性能要高于砌体筒仓和钢板筒仓；从支承形式来说，筒承式筒仓的抗震性能高于柱承式；从震害位置来说，下部支承部位和仓顶建筑均属于抗震薄弱环节。

图3 筒仓震害实例图

通过以上分析可知，地震作用下筒仓破坏主要形式可归结为地基基础的失效、支承结构的破坏、仓壁与锥斗连接的失效、洞口的应力集中、上部结构与设备的连接破坏等。

2.2 筒仓破坏因素分析

任何结构设计的关键都在于确定其所受的荷载，筒仓也不例外。因内部储料散体的特殊性，筒仓结构在承受地震荷载的同时，还需承受内部散体运动带来的动态储料压力[16]。因此，筒仓的抗震设计必须同时考虑内部储料运动产生的水平荷载。散体作为彼此相互联系的固体颗粒组成的不连续介质集合体，具有分散性、复杂性和易变性。微观上，筒仓内部储存的散体由固体颗粒组成，颗粒的无粘结特性，使得颗粒之间仅存在单边接触力和摩擦力，因此能够承受压力，在储料与储料、储料和仓壁之间传递剪应力，而不能承受拉力。虽具有流体的流动性，却又不能像流体一样向各个方向等同地传递压强，且散体能够在一定范围内保持其堆积形状。正是散体这种特殊的力学行为，使得筒仓-散体结构体系在动力响应下，必须综合考虑散体与固体相互运动时压力、速度的分布变化，以及各种相互耦合效应、能量转换和损失等[17-18]。

从不同的结构类型分析，圆形筒仓的筒壁为空间轴对称旋转壳体结构，刚度大、抗变形能力强，抗扭转性能好，且上下刚度基本一致；柱承式筒仓上下刚度变化大，支柱作为结构薄弱层，抗侧刚度小，仓体刚度远大于其支柱，导致水平侧移大，容易出现应力集中现象，且其重心高导致地震作用下较易产生倾覆力和轴力。

此外，地震通常会引起水平和竖向两个方向的振动，甚至还会引起转动。筒仓的重量较大，因此竖向地震对筒仓的影响较小。由于重心高，地震水平作用对筒仓的影响较大。同时，水平地震荷载的大小直接与筒仓的重量成正比关系。随着筒仓高度的增加，筒仓结构的质心高度增大，假定地震水平作用在质心处，则地震水平荷载力臂越大，对应的基底弯矩也越大。基底弯矩的增大，会导致筒仓基底压力分布不均，有可能发生倾倒，且筒仓内部储料的振动也会对仓壁造成破坏。

3 结论

仓储结构是粮食生命线工程系统中关键节点的重要组成部分，是国家粮食储备安全的重要保障。在综合分析筒仓震害资料的基础上，探讨了筒仓结构体系的地震破坏特征和破坏因素，得到以下结论。

（1）筒仓结构破坏形式主要包括地基基础的失效、支承结构的破坏、仓壁与锥斗连接的失效、洞口的应力集中以及上部结构与设备的连接破坏等。

（2）地震作用下，筒仓内部散体颗粒之间及散体与仓壁的运动和摩擦，能够消耗一定的地震能量，这种能量的损耗受散体物理特性、地震烈度、筒仓几何尺寸等诸多因素的影响，因此设计时适当考虑筒仓与内部散体储料的相互耦合效应，可节省投资。

（3）仓储结构作为灾后粮食补给的民生项目，必须坚持以防为主，在8度以上高烈度地区应采用抗震性能较好的筒壁落地仓。实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变，全面提升粮食仓储结构抵御自然灾害的综合防范能力。