段君峰，韓 陽*，李東橋，薛晨曦

(1.河南工業(yè)大學土木建筑學院，鄭州 450001；2.河南建筑材料研究設計院有限責任公司，鄭州 450002)

筒倉是用來儲存各類散粒物料(水泥、煤、砂、糧食等)的筒狀構筑物，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流及儲運等行業(yè)，安全運行涉及土木、機械、生物、化學等工程[1-2]。筒倉-散體結構體系，重心高、體積大，在地震作用下，能夠產(chǎn)生較大的附加彎矩和剪力，較易發(fā)生破壞；此外，內(nèi)部儲存的散粒體雖具有流體的流動性，卻又不像流體一樣能夠向各方向等同的傳遞壓強，其物理特性極具復雜性[3-4]。振動荷載作用下散體與筒倉之間存在著復雜的相互耦合效應，造成了筒倉在地震作用下的動力特性仍有許多不確定因素。一旦發(fā)生破壞，不僅影響相關生產(chǎn)的正常作業(yè)，而且內(nèi)部散體的泄漏更會帶來大量的資源浪費或環(huán)境污染，甚至引發(fā)次生災害，危及人類健康和生命安全[5-6]。圖1、表1分別為中外筒倉-散體結構體系在地震作用下破壞的典型照片及震害經(jīng)驗統(tǒng)計，表明地震是威脅筒倉-散體結構體系安全的主要因素之一[7-9]。由此可見，對筒倉-散體結構體系的安全性必須引起重視，特別是該結構體系大多涉及民生工程和基礎工業(yè)，在目前全球氣候問題及難以預測的自然災害等風險下，更應注重其生產(chǎn)能力提升和結構安全儲備。

圖1 筒倉震害實例

表1 筒倉-散體結構體系震害統(tǒng)計

目前，對筒倉-散體結構體系的抗震計算仍基于“糖葫蘆串”的多質(zhì)點模型，很少考慮筒倉-散體的相互作用以及結構系統(tǒng)的空間狀態(tài)，與其自身的力學模型相差甚遠，缺乏精細化分析[10-12]。此外，對筒倉-散體結構體系地震作用下的動力特性研究大多基于傳統(tǒng)的抗震理念，單純依靠增強結構自身強度來抵御地震破壞，為了滿足結構強度、剛度和穩(wěn)定性要求，不得不增大結構的截面面積，增加建筑材料自重，已與現(xiàn)有可持續(xù)發(fā)展理念相駁斥，與現(xiàn)有的經(jīng)濟和社會發(fā)展水平不相符，已不能作為一種完善、長期的抗震思想，不能適應現(xiàn)代化科技儲藏、安全儲藏的抗震需求。必須堅持以防為主，努力實現(xiàn)從減少災害損失向減輕災害風險轉變，全面提升結構抵御自然災害的綜合防范能力，探尋、引入新的抗震理念。依托新材料、新技術，探究新的隔震減振方法，對筒倉-散體結構體系的長期安全儲備和運行具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略價值。

鑒于此，在對中外筒倉-散體結構體系震害經(jīng)驗調(diào)研的基礎上，重點歸納總結了中外筒倉-散體結構體系在地震作用下的動力特性研究現(xiàn)狀，分析探討了筒倉-散體結構體系亟需解決的重點、難點問題，提出必須引入新的隔震減振理念，并對筒倉-散體結構體系的動力特性及抗隔震研究方向和趨勢進行展望。

1 傳統(tǒng)動力特性研究

筒倉-散體結構體系的特殊之處在于內(nèi)部儲存散粒體的力學特征是一種完全獨立于流體力學、固體力學和凝聚態(tài)物理的特殊力學行為，特別是在動力響應下，必須綜合考慮散體與固體相互運動時壓力、速度的分布變化，以及各種耦合效應、能量轉換和損失等。對筒倉-散體結構體系的動力響應特性的研究始于20世紀60年代，中外學者進行了大量的理論和試驗研究，均對筒倉-散體結構體系抗震理論的發(fā)展起到了不可或缺的作用[13-15]。從散體參與地震響應的有效質(zhì)量、地震作用下散體與筒倉相互作用機理、筒倉結構力學特性研究三個方面進行了歸納總結分析。

1.1 散體參與地震響應的有效質(zhì)量

筒倉-散體結構體系中，內(nèi)部散體的荷載遠大于結構自重。在地震作用下，由于散體之間、散體與倉壁之間摩擦力的存在，散體與倉體振動并不一致，各部位散體的振動時程也不一致，散體顆粒之間的相互運動可以起到一定耗能作用，可理解為并不是所有散體活荷載參與振動。因此，能夠準確合理地確定散體參與地震響應的有效質(zhì)量，是筒倉-散體結構抗震研究的關鍵。

1968年，印度學者Chandrasekaran等[16]對裝有小麥、水泥、砂和木炭的模型筒倉進行了半倉和滿倉的自由振動試驗，測定了散體參與振動的有效質(zhì)量系數(shù)，證明了筒倉內(nèi)參與振動的散體荷載代表值遠遠小于實際重力荷載，指出散體參與地震響應的有效質(zhì)量系數(shù)為0.22～0.54，且散體越多參與有效質(zhì)量系數(shù)越小。各國筒倉抗震設計方法均基于該理論，并結合少有的試驗數(shù)據(jù)和理論而建立[17-19]。Harris等[20]利用兩組模型筒倉，對空倉、滿倉小麥和滿倉砂粒的三種工況，進行了30次簡諧水平振動試驗，依據(jù)筒倉和散體整體剛度變化，指出散體的有效質(zhì)量系數(shù)為0.58～0.9，并提出振動頻率越低，散體參與的有效質(zhì)量系數(shù)越大。1987年，島本明[21]首次提出散體有效質(zhì)量系數(shù)與筒倉剛度和高徑比有關：當高徑比大于1.5時，動力有效質(zhì)量系數(shù)接近1.0；高徑比小于1.0時，該系數(shù)為0.5～1.0。以上試驗研究均從筒倉的自振特性出發(fā)，但所得的散體有效質(zhì)量系數(shù)離散性較大。在理論和數(shù)值分析方面，袁興隆等[22]依據(jù)能量守恒原理，指出筒倉振動時，動能轉化為散體摩擦力所做的功和結構的變形勢能，推導了振動荷載作用下散體有效質(zhì)量系數(shù)的理論計算方法，但公式復雜，不利于應用。2016年，意大利Silvestri等[23]對直徑1.2 m、高1.5 m的有機玻璃淺圓倉模型進行了振動臺試驗，研究表明地震作用下，散體的有效質(zhì)量系數(shù)要遠遠小于規(guī)范規(guī)定的0.8，并指出散體與側壁間的摩擦系數(shù)越大，散體對倉壁的水平壓力越大，地震傾覆力越大。

前人研究主要集中在散體參與動力響應的有效質(zhì)量系數(shù)方面。雖然學者們一致認為散體參與地震的有效質(zhì)量遠小于其實際質(zhì)量，但影響因素頗多，如筒倉的剛度、高徑比、散體物理特性、振動頻率、散體與倉壁摩擦等。目前對散體參與有效質(zhì)量系數(shù)的評估還不是十分精準，并沒有達成共識。所以在動力響應下系統(tǒng)地精確各種散體在不同剛度、不同高徑比筒倉內(nèi)的參與有效質(zhì)量系數(shù)至關重要，有助于優(yōu)化設計、節(jié)約成本，應是目前筒倉-散體結構體系抗震技術研究亟待解決的關鍵課題之一。

1.2 散體與倉體相互作用機理

散體參與振動的有效質(zhì)量本質(zhì)上取決于散體與倉體的相互作用和結構非線性特征。筒倉作為一種儲藏散體的特種結構，地震反應的復雜性在于散體與結構的相互平衡、運動和耦合效應，涉及散體與筒倉、散體之間的相互作用，以及二者相互運動時倉壁和散體內(nèi)部的壓力場分布、速度分布、能量轉換與損失等，具有一定的復雜性和挑戰(zhàn)性[24-26]。

早期，人們分析地震作用下筒倉力學性能，只是簡單的將散體視為外部荷載。隨著研究的不斷深入發(fā)展，學者們逐漸意識到在筒倉的抗震設計中必須考慮散體的物理非線性和散體與倉壁的摩擦接觸問題。散體的物理特性，大多采用土體的等價非線性模型，主要有連續(xù)介質(zhì)模型和離散元模型；而散體與側壁的連接狀態(tài)有連續(xù)、摩擦滑移和自由三種狀態(tài)。針對不同的物理模型和接觸狀態(tài)，學者們圍繞散體和倉壁的相互關系進行了一系列理論分析、數(shù)值計算和振動臺試驗，研究了單倉、群倉的自振頻率及結構基本振型等參數(shù)[27-30]，并應用離散元理論和顆粒流軟件對群倉模型進行數(shù)值模擬，研究了散體與倉壁的動態(tài)耦合作用力、速度分布規(guī)律等[31-35]。趙衍剛等[36]分別對三組塑料筒倉和一組柱承式有機玻璃筒倉模型進行了空倉、滿倉的單點激振實驗和模擬地震振動臺實驗，將散體假定為連續(xù)體，提出了筒倉結構的半解析環(huán)元法計算理論，對筒倉的自振頻率、散體質(zhì)量參與系數(shù)及散體自身剛度對倉壁應力的影響進行了研究。此外，在模態(tài)試驗和理論分析方面，張大英等[37]基于糧食筒倉模型的環(huán)境振動試驗，利用時域模態(tài)參數(shù)識別方法得到了筒倉模型的基準動力特性，通過與傳統(tǒng)峰值拾取識別結果進行對比分析，驗證了方法的可靠性，同時指出對筒倉-散體結構體系中復雜阻尼機制的精確評估還需進一步研究。Castiglioni等[38]將散體顆粒視為理想彈塑性準則Dracker-Prager本構模型，充分考慮散體內(nèi)部、散體與倉體之間不斷變化的相對慣性力和位移變化的計算模型對筒倉與散體的相互作用進行了系統(tǒng)的研究，隨后采用一種簡單的附加質(zhì)量法，認為散體對倉壁的動態(tài)壓力可以等效成一定質(zhì)量的散體附加于倉壁整體運動，通過對比分析驗證了簡化附加質(zhì)量法的可行性。

雖然，人們普遍認為地震作用下必須考慮筒倉和散體的相互作用，但對二者之間的相互作用機理還不十分明確，如倉體邊界約束如何影響散體壓力場的分布、散體的運動耗能效率如何、散體與倉體能量轉換效應等問題還有待進一步深入研究，這些都是筒倉-散體結構體系抗震研究中不應忽略的關鍵問題。

1.3 地震作用下筒倉結構的力學特性研究

筒倉-散體結構體系動力特性的各種響應研究終歸目的在于結構的安全性。學者們從試驗研究、到理論分析、再到有限元仿真計算等方面均進行了大量的研究[39-45]。在試驗研究方面，通過振動臺試驗，Kitazawa等[46]提出地震作用下筒倉底部散體產(chǎn)生的剪力75%作用由筒壁承擔；施衛(wèi)星等[47]研究了地震作用下筒倉的地震反應、破壞形式等，根據(jù)相似關系對原型筒倉進行了抗震性能分析；王錄民等[48]、許啟鏗等[49]對筒倉結構的抗震性能進行了系統(tǒng)研究，利用相似關系設計制作了1/16縮尺比例的柱承式群倉和筒承式群倉模型，進行了振動臺試驗、環(huán)境激勵模態(tài)分析試驗以及有限元對比分析，系統(tǒng)的研究了群倉的抗震性能，提出了筒倉簡化計算模型，為筒倉損傷識別和抗震性能分析提供了參考依據(jù)。針對柱承式筒倉“鞭梢效應”，依據(jù)地震中結構吸收能量等于等效彈塑性系統(tǒng)能量的原理，喬宏洲等[50]提出了柱承式筒倉的支撐柱屈服剪力的P-Δ效應增大系數(shù)。

隨著數(shù)值分析技術的發(fā)展，人們對筒倉抗震性能的分析提供了更多的研究方法。Rotter等[51]最早采用彈性有限元法對筒倉中散體的進出倉過程進行動態(tài)分析，并與離散元計算方法進行對比，探討了筒倉在地震作用下的破壞機理。Livaolu等[52]對六種不同高徑比的筒倉進行了有限元數(shù)值模擬，并分別考慮剛性倉壁和柔性倉壁，指出倉壁的剛度嚴重影響地震反應：由于倉壁的限制，剛性倉的高徑比越大，其倉壁動態(tài)壓力大；柔性倉則是底部剪力大。Jagtap等[53]對縮尺鋼板筒倉進行三維有限元模擬計算，顆粒散體采用亞塑性本構，研究在三分量地震作用下的動態(tài)響應。研究表明散體的水平位移隨筒倉高度的增加而增大，頂部中心處的豎向位移最大；散體顆粒越松散，產(chǎn)生的附加壓力和基底彎矩越大。近年來，Silvestri等[54]基于Janssen和Koenen理論，充分考慮了側壁摩擦力，并考慮到散體的水平剪切力，通過簡單自由體的動態(tài)平衡方程計算了有效質(zhì)量和地震作用下沿側壁不同高度處的水平壓力，盡管比較理想化，但與縮尺模型的振動臺試驗數(shù)據(jù)基本吻合。隨后，Pieraccini等[55]又對Silvestri提出的理論公式進行了改進，并與原公式和歐標進行了比較，證明了其可靠性。郭坤鵬[56]將儲料視為亞塑性本構，通過數(shù)值模擬分析，對筒倉結構的地震易損性進行了研究。高懿辰等[57]依據(jù)文獻[23]的試驗模型，通過有限元數(shù)值分析，以筒倉的基底彎矩和基本自振頻率為指標，研究了散體彈性模型、泊松比、和黏聚力對筒倉水平地震響應的影響，指出對筒倉-散體結構體系進行數(shù)值模擬時，可將散體視為連續(xù)理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb屈服準則。

由于筒倉-散體結構體系的復雜特性，地震荷載作用下，其內(nèi)部水平壓力、豎向壓力和側壁摩擦力均會發(fā)生較大變化，且地震水平加速度不僅存在著平動分量，還存在著轉動分量，使其力學性能更為復雜。此外，筒倉結構的力學特性受結構形式、散體屬性、高徑比等因素影響，抗震設計驗算還處于粗放型階段，缺少精細化方法。因此，對筒倉地震荷載作用下的力學特性研究仍是任重道遠。

2 筒倉-散體結構隔震減振技術

隔震減振技術是一種新型的提高建(構)筑物抗震性能的技術措施，已在民用建筑、橋梁等領域廣泛應用，而在筒倉-散體結構體系的應用則相對較少，主要是缺乏相關基礎研究[58]。

在對筒倉-散體結構體系隔震研究方面，馬建勛等[59]根據(jù)相似理論設計制作了1:25的有機玻璃筒倉模型，在三向六自由度振動臺上先后對模型半倉貯料和滿倉貯料進行了有、無耗能減震裝置的模擬地震振動臺對比試驗。結果表明耗能減震裝置具有良好的減震效果，筒倉結構在加裝耗能減震裝置后，共振時倉頂動力放大系數(shù)平均降低幅度達20%以上。黃義等[60]通過地基—貯倉結構動力相互作用系統(tǒng)的半解析方法，對筒倉結構的減震控制進行了研究，利用現(xiàn)有的疊層橡膠支座對筒倉的動力響應進行了分析，指出隔震后最大位移僅為隔震前的1/8，且隔震筒倉結構以第一振型為主，隔震層以上結構的主要振動形式為整體平動。Daniel等[61]對約3 000 t的鋼框架支撐粉煤灰筒倉進行了隔震減振研究，通過放置在支撐頂部的8個高阻尼橡膠疊層支座對高架筒倉進行了有限元數(shù)值計算。研究表明隔震后，結構周期增大4.68倍，加速度減小到隔震前的68%，底部剪力減小為隔震前的58.6%，同時也節(jié)約了鋼材用量，減小了工程造價。2017年，意大利Kanyilmaz等[62]先后對化工行業(yè)筒倉的抗震性能和破壞特征進行了分析，通過鋼板曲面滑移隔震支座對工業(yè)筒倉進行抗震加固，通過附加質(zhì)量法進行了有限元分析，改造后結構的殘余位移遠小于改造前，基底剪力值顯著降低，且50年地震易損性概率可降低30%。

筒倉結構隔震減振研究成果表明，目前對筒倉結構地震特性的研究主要側重于傳統(tǒng)的抗震思想，雖然實現(xiàn)了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計理念，但筒倉破壞的事故依然存在。同時也存在由于地震荷載不斷積累，在結構累積損傷效應下發(fā)生二次破壞、甚至倒塌的風險。因此，必須提高筒倉的抗震性能，引入新的隔震理念，有必要將隔震減振理念與技術引入筒倉結構，建立適用于筒倉結構的隔震減振技術體系，變被動為主動。從長遠來看，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，隔震理念和技術作為一種新的抗震思想，必將引領筒倉結構抗震領域新方向。筒倉-散體結構體系較之其他工業(yè)建筑的隔震研究，已存在明顯滯后，必須加快推進。

3 結論及展望

對中外筒倉-散體結構體系的抗震理論及試驗研究進行了簡要回顧，探討了目前急需解決的重點和難點問題；并結合新的隔震理念，分析了筒倉結構引入隔震減振技術的必要性和重要性。

(1)外國對地震作用下散體參與響應的有效質(zhì)量的研究較為深入。研究表明，明確地震作用下散體參與有效質(zhì)量是準確分析筒倉地震作用荷載的有效途徑，建議中國學者加強對該方法的研究。外國學者提出的有效質(zhì)量系數(shù)多在0.5～1.0浮動，離散性較大，受筒倉剛度及倉徑比的影響，計算還不是十分精確，也沒有系統(tǒng)地針對不同類型筒倉和散體提出相應的有效質(zhì)量系數(shù)，這應是筒倉-散體結構體系抗震研究的主要課題之一。

(2)地震作用下，散體和倉體的相互作用機理是筒倉抗震研究的關鍵所在，涉及散體的非線性和散體與倉壁的接觸問題，散體與倉體之間的動力相互作用將直接影響倉體在動荷載下的受力行為，對剛度較小的金屬筒倉尤為明顯，是抗震計算中不應忽略的重要因素之一，必須加強該方面的研究。

(3)筒倉-散體結構體系除了受到風載、雪載、地震荷載等作用外，還需要承受散體的壓力荷載，除了考慮結構本身的力學特性，還需要綜合研究內(nèi)部散體的復雜力學特性，以及散體的流動狀態(tài)和散體與側壁相互作用的耦合效應。能夠準確表達地震作用下顆粒散體摩擦特性和離散特性，以及沿倉壁高度應力應變的分布變化仍是一種挑戰(zhàn)，需進一步深入研究。

(4)隔震減振技術經(jīng)過近幾十年的發(fā)展和應用，已被證明是有效減少地震災害的方法之一，且在高層建筑以及橋梁結構中廣泛應用，但在筒倉結構卻鮮有應用。因此，將隔震減振技術引入筒倉-散體結構體系，建立適用于筒倉-散體結構體系的隔震減振理論體系具有非常重要的現(xiàn)實意義，對科技、綠色、高效儲藏以及筒倉結構的長期穩(wěn)定具有重要意義。筒倉-散體結構體系屬于特種結構，其隔震體系如何構建，隔震效果如何，隔震狀態(tài)下的力學特性、與倉壁的相互耦合效應等問題都需要進行定性分析、定量討論。