大直径钢筋混凝土圆形浅仓仓壁可靠度分析方法研究

发布时间：2016-08-04 09:51

第一章  绪     论

1.1  概  述
我国是个农业大国，每年都要生产和储备大量的粮食，而我国物流行业的发展还不是很完善，不能满足粮食的及时配送，所以需要大量的粮库解决粮食的储存问题，同样的问题也出现在煤炭、水泥、轻工业等领域。钢筋混凝土浅圆仓（见图 1）是一种直径在 25m 以上，装粮高度在 12m 以上的具有圆筒状仓体和锥形顶盖的粮食储存构筑物。它具有占地面积小，易于机械化、自动化作业，流通费用低，吨储物造价低等优点[1]，在各个领域有着广泛的应用。 筒仓结构由于其优良的工作性能、较高的性价比，在工程领域得到了较为广泛的应用。近些年，随着工程技术的不断发展，筒仓结构的设计和施工技术日趋成熟，在航空航天、航海船运、石油化工、发酵工程、物料和粮食等行业的需求愈加广泛，促使科研工作者对这类结构进行更深入的研究，较大程度的避免结构的失效和事故的发生。随着生产力的发展，大容积、大吨位筒仓的需求量不断增加，工作条件也越来越复杂。这就给筒仓的设计和研究提出了更高的要求，在设计筒仓的过程中要考虑更多的环节，从载荷、边界条件、施工技术等进行更为深入的研究[2]。 本文依托于国家自然科学基金《基于装卸料过程能量转换的筒仓动态超压机理研究》（批准号：51578216），对钢筋混凝土筒仓在满仓状态下的仓壁可靠性进行了分析。 
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1.2  研究背景及意义 
我国人口是世界上最多的国家，也是个农业大国，每年需要消费和贮存大量的粮食，因此需要建筑大量的粮仓。据有关数据显示我国不包括民间储粮数量，每年国家与省级的粮食储备数量就有  1.85  亿吨[3]。为了改善我国粮食的储备环境，保证粮食储备的安全，国家曾在“九五”、“十五”期间投放国债  343  亿，建设了总储量  5000  多万吨的粮仓，很好的改善了我国粮食储存的环境，降低了储粮的损耗率[4]。  随着国家对粮食储备的投入，筒仓的应用取得了较快的发展。传统的筒仓主要以钢筋混凝土结构为主，主要应用于粮食、物料、发酵、冶炼等方面。由于筒仓料荷载的复杂性很多筒仓在设计时对物料荷载考虑不足，加之受当时施工及经济条件的限制，相当数量的筒仓存在设计不足、施工不当等问题，使其安全性难以得到保证[5]。并且早期建设的筒仓由于经历结构老化、钢筋绣蚀、功能改变、地震作用等原因，在使用过程中原有结构产生损伤、混凝土剥落、裂缝过大以及承载力不足等问题而不再满足正常使用要求或存在较大隐患，世界上很多国家都出现过大量筒仓仓体破裂或倒塌的事故[6]。如在  1964  年美国的  Alaska  地震发生时，由于地震载荷引起多起筒仓容器破坏、失效事故。1997 年法国布雷市的筒仓发生倒塌，造成 11 人死亡[7]（图 1-2），几乎在同时瑞士一农场的筒仓发生倒塌[8]。在国内，1998 年 9 月 1 日天水市粮食一库 7 号钢筒仓突然倒塌造成二死三伤，共约 130 多万元损失的重大事故[9]；2006 年 4 月 1 日，山东省滕州市东郭镇山东恒仁工贸有限公司淀粉厂(民营)一储粮钢板筒仓发生崩裂坍塌事故，造成10 人死亡、3 人受伤使国民经济蒙受了巨大的损失。这引起了世界各国政府及许多科研机构的重视，于是大量的科学工作者开始对筒仓结构进行深入的研究。正是这种工程应用的需求，迫使筒仓的设计方法和理论基础有了长足的发展。 
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第二章  结构可靠度的基本原理 

2.1  概  述 
结构设计的主要目的是要保证所建造的结构安全适用，并且要经济合理。具体到结构可靠性方面，一般说来，结构在预定的使用期限内需满足下列各项预定功能要求。 在规定的期限内，在正常施工和使用情况下，结构能承受可能出现的各种作用(指直接施加于结构上的荷载及间接施加于结构的引起结构外加变形或约束变形的原因)；在偶然事件(如爆炸、罕遇地震、强风等)发生时和发生后，结构发生局部损坏，但不致出现整体破坏和连续倒塌,仍能够保持必需的整体稳定性。在正常使用情况下，，结构具有良好的工作性能。如结构或构件因发生过大的变形、裂缝或振动，而影响正常使用，所以需要对变形、裂缝宽度等进行必要的控制。在正常使用和维护情况卜，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求具有足够的耐久性。如在化学的、生物的或其他不利环境因素作用下，不致因混凝土的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等影响结构的使用寿命，甚至失效。 所以，安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。显然,采用加大构件截面、增加配筋数量、提高材料性能等措施，总可以满足上述功能要求，但这将导致材料浪费、造价提高、经济效益降低。一个好的设计应做到保证结构既安全可靠，同时又经济合理，即用较经济的方法来保证结构的可靠性，这是结构设计的基本准则。结构可靠性的研究,就是围绕“完成预定功能的能力”而开展的，因为研究“能力”问题必然涉及到“规定时间”和“规定条件”，最后对各种功能的“能力”必须给出恰当的数量化指标。 
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2.2  结构可靠性理论基础 
结构在使用期间的工作情况，称为结构的工作状态。结构能够满足各项功能要求而良好地工作，称为结构“可靠”。如内力不超过结构的抗力，裂缝宽度、变形不超过影响使用的容许值。反之称为结构“失效”。结构的工作状态是处于可靠还是失效的标志用“极限状态”来衡量。所谓极限状态是指结构或结构一部分处于失效边缘的一种状态，亦即在这种状态一下，结构恰好达到设计要求的某种功能极限。极限状态是区分结构工作状态为可靠与失效的标志，对于结构的各种极限状态，均应明确规定其标志及极值。 承载能力极限状态直接关系到结构的安全与否，结构全部或部分的破坏或倒塌，都会导致人员的伤亡或严重的经济损失，所以所有结构和构件都必须按照承载能力极限状态进行设计计算，且要求其出现的失效概率相当低，保证具有足够的可靠度。 超过这种极限状态会使结构不能正常工作,使结构的耐久性受到影响。和承载能力极限状态相比，超过这一极限状态导致人员伤亡的危险性和造成经济损失的产重性要小一些，因而在可靠性的保证程度上可以稍低一些。 
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第三章  筒仓侧压力概率统计分析 ....... 22 
3.1  概  述 .... 22 
3.2  筒仓侧压力计算公式 ..... 22 
3.2.1 Janssen 公式 .......... 22 
3.2.2 Airy 理论 ...... 22 
3.2.3  中华人民共和国国家规范公式 GB50077-2003 ...... 23 
3.2.4  浅圆仓侧压力计算公式 ........ 25 
3.3  筒仓侧压力实验介绍 ..... 28 
3.4  侧压力概率统计分析 ..... 29 
3.4.1  基于试计比的现场数据处理 ......... 29 
3.4.2   基于 K-S 法的筒仓侧压力概率分布统计 ..... 34 
3.5  本章小结 ....... 39 
第四章  筒仓侧壁可靠度分析 ...... 40 
4.1  概  述 .... 40
4.2  筒仓构件抗力不确定性统计分析 ............ 40 
4.3  功能函数的建立 .... 44 
4.4  可靠度分析 ............ 45
4.5  本章小结 ....... 49 
第五章  结论与展望 .... 50 
5.1  本文主要工作及结论 ..... 50 
5.2  进一步研究建议 .... 50 

第四章  筒仓侧壁可靠度分析 

4.1  概  述

前面几章介绍了以概率论为基础的极限状态设计方法的基本原理和采用可靠指标作为可靠度数值度量的计算方法，以及荷载的概率统计分析。从理论上讲只要已知抗力及作用效应的有关统计参数，即可按指定的可靠度指标进行设计或进行可靠度校核。 本章分析介绍了钢筋混凝土筒仓构件的抗力不确定性，以河南省郑州市郑东新区河南国家粮食储备库第 29 号浅圆仓为研究对象，以圆形筒仓仓壁在粮食水平侧压力的作用下产生环向拉力的设计值为理论依据，建立极限状态函数，采用一次二阶矩法计算不同部位的可靠度指标。钢筋混凝土筒仓结构构件主要由钢筋和混凝土两种材料构成。就受力特点而言，主要为侧壁环向受拉、受弯构件、受压构件等。当我们对构件进行抗力分析时，需要条件完全相同的一批构件的抗力实测数据组成的样本。但这样做需要消耗大量的人力物力，且很难达到目的。比较合适的就是应用某种间接方法求得代表该类型构件的抗力统计参数，即先对影响抗力的各种主要因素分别进行统计分析，确定其统计参数，然后通过抗力与各有关因素的函数关系，来推求抗力的统计参数和概率分布类型。 

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结论 

本文介绍了常用的筒仓侧压力计算公式，接着在对侧压力的统计分析中为了将实际筒仓侧壁压力归一化，引入无量纲随机变量试计比λp，通过对试计比λp 的平均值、偏差、变异系数等统计参数的统计分析。进而得到了侧压力的概率分布状况，以及其平均值、偏差、变异系数；分析钢筋混凝土筒仓构件的抗力不确定性，然后以圆形筒仓仓壁在粮食水平侧压力的作用下产生环向拉力的设计值为理论依据，建立了承载能力极限状态的功能函数；采用可靠度理论的一次二阶矩法以河南国家粮食储备库第 29号浅圆仓为对象对其进行了可靠度校核。通过以上的研究工作，得到以下结论： 
(1)  在分析钢筋混凝土筒仓的可靠度时，采用概率统计的方法对筒仓侧压力的均值、偏差、变异系数、概率分布函数进行统计。   
(2)  在对筒仓侧壁压力的样本统计时，将实际筒仓侧壁压力归一化，引入无量纲随机变量试计比，并对试计比进行统计分析从而间接推导出侧压力的统计规律。对试计比的概率分布类型进行假设检验，首先假设其服从正态分布，用矩法对其均值和方差进行参数估计，采用 K-S 法对其概率分布类型进行检验，结果接受原假设。 
(3)  把可靠度理论引入到大直径钢筋混凝土浅圆仓的设计中，以圆形筒仓仓壁在粮食水平侧压力的作用下产生的环向拉力设计值为理论依据，推导出承载能力极限状态方程。并采用一次二阶矩法对大直径钢筋混凝土浅圆仓壁进行可靠度校核，结果表明其满足可靠性要求。 
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参考文献(略)

本文编号：84470