鋼筋混凝土筒倉結構設計

合肥水泥研究設計院 邱 銳 李宗輝 張 翔

鋼筋混凝土筒倉結構設計

合肥水泥研究設計院 邱 銳 李宗輝 張 翔

鋼筋混凝土筒倉結構在水泥工業廠房中是應用最廣泛的貯料構筑物，隨著新的建筑材料及施工方法的開發，傳統的水泥廠筒倉結構設計已經打破了傳統的設計方法。本文，筆者介紹了兩種新的設計思路，以期對同行有所參考。

一、采用鋼骨混凝土結構

倉下支撐結構的選型應根據倉底形式、基礎類別和工藝要求進行綜合分析確定。圓形筒倉倉下支撐結構有柱支撐、筒壁支撐、筒壁與內柱共同支撐等形式。對于大直徑的圓形筒倉，應優先采用筒壁支撐或筒壁與內柱共同支撐的形式。唐山地區冶金系統的筒倉震害調查表明，柱支撐的筒倉的震害程度要高于筒壁支撐的筒倉。

本文，筆者以新疆托克遜地區某水泥熟料線Φ18 m×30 m熟料庫為例，該地區抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.1 g。熟料庫庫底板以下采用兩道通長混凝土墻體及4個混凝土柱共同支撐，考慮到該地區特有的砂石地貌，筒倉整體采用5 m深的箱型基礎形式，混凝土柱凈高9.9 m。考慮到地震作用的影響，采用C30混凝土，柱的最大壓應力組合設計值約12 000 kN；考慮到抗震規范混凝土柱軸壓比不得大于0.75的要求，采用鋼筋混凝土結構時柱截面為1 000 mm×1 000 mm；考慮到工藝要求，庫底板下的空間可作為電氣控制室利用起來，幾個大柱子放在電氣室內部不利于工藝的布置，這種支承柱通常可視為軸心受壓柱，為滿足工藝的要求，降低混凝土柱的截面面積，可考慮采用鋼骨混凝土柱。

鋼骨混凝土結構是以鋼結構為骨架，并外包以鋼筋混凝土的埋入式組合結構。它既有鋼筋混凝土結構的特點，又有鋼結構的特點。隨著我國建筑業的發展，鋼骨混凝土柱在實際工程中的應用也越來越廣泛。

根據鋼筋混凝土所包的鋼骨的不同，可將鋼骨混凝土結構分為實腹式和空腹式兩類。實腹式鋼骨可由型鋼或鋼板焊接而成。空腹式鋼骨構件的鋼骨一般由綴板或綴條連接角鋼或槽鋼組成。外包混凝土可以防止鋼結構的局部屈曲，提高構件的整體剛度，不僅節約了鋼材，還有效利用了鋼材的強度。鋼骨混凝土結構由于配置了鋼骨架，構件的承載力得到大大提高，對于構件截面尺寸的減小極為有利，避免了形成肥梁胖柱。對于筒倉結構而言，構件截面減小可以增加使用面積，更好地滿足了工藝使用的要求。特別是實腹式鋼骨混凝土結構，它具有較大的延性和良好的抗震性能。鋼骨混凝土在耐火度和耐腐蝕度等方面，具有維護費用低的優點，能夠產生良好的社會效益和經濟效益。

在軸心壓力作用下的鋼骨混凝土柱，鋼骨與混凝土具有一致的變形協調性，他們作為整體共同承受外力，具體計算過程如下。

首先滿足軸壓比的要求。根據相關標準要求，當采用16Mn鋼作鋼骨時，軸壓力用下式計算：

當采用用Q235鋼作鋼骨時，軸壓力用下式計算：

式（1）和式（2）中，N為軸壓力設計值，n為規范要求的軸壓比限值， fc為混凝土的抗壓強度，f ′s為鋼骨的抗壓強度，Ac為混凝土面積，As為鋼骨的面積。

在正常情況下，鋼骨混凝土柱的配筋率在6%左右是較為合理的。根據（1）式或（2）式，可以計算出柱及鋼骨的截面尺寸。然后計算出柱中鋼筋面積。根據鋼與混凝土組合結構設計施工手冊，有

對上述述例子，當采用Q345焊接工字鋼鋼骨混凝土結構（腹板400 mm×16 mm，翼緣450 mm×20 mm，截面面積244 cm2）時，經計算，柱截面為900 mm×900 mm，構造配筋即可滿足要求，且比原柱截面面積降低36%。

二、采用鋼纖維控制裂縫

鋼筋混凝土圓形筒倉壁承受的主要是環向拉力，所以鋼筋混凝土結構的倉壁、水平向的裂紋幾乎是不可避免的。使用傳統方法設計大直徑混凝土筒倉時，為滿足混凝土筒倉規范規定的最大裂縫寬度不得大于0.2 mm的要求，在滿足抵抗水平力的基礎上，需要增加50%甚至更多的鋼筋，實際經濟效益不佳。本文，筆者以江蘇省新沂某水泥粉磨站Φ8 m×22 m水泥配料庫為例，正常情況下，水泥配料庫庫壁筒倉壁的水平向鋼筋若只需滿足抵抗水平力的要求，則只需配置直徑為8 mm的一級鋼筋既可。但為滿足控制裂縫的要求，實際上應配置直徑為14 mm的二級鋼筋。

在建造承受拉力的筒壁時，施工單位通常使用滑膜法施工。在混凝土中摻入鋼纖維，增加了混凝土的和易性，可以有效控制混凝土裂縫的產生。在混凝土中摻入15%的鋼纖維時，混凝土構件的最大裂縫寬度可減小40%，但鋼纖維對裂縫間距影響不大。由于鋼纖維對混凝土結構的加固是三維全截面的、整體的、且各向同性的，因此在混凝土中無論哪個部位，鋼纖維都能起到加固作用。

傳統建筑材料混凝土較為突出的缺陷就是其脆性，而且隨著混凝土強度的增加，其延性也逐漸降低。鋼纖維混凝土作為建筑材料建造混凝土筒倉結構，可明顯改善混凝土的抗裂縫性能，對于控制混凝土筒倉壁裂縫具有明顯的效果。