鋼筋混凝土圓形筒倉有限元分析*

王遠坤

(大峘集團有限公司， 江蘇 南京　211112)

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鋼筋混凝土圓形筒倉有限元分析*

王遠坤

(大峘集團有限公司， 江蘇 南京211112)

通過某鋼筋混凝土礦渣微粉倉的設計總結，簡述了鋼筋混凝土筒倉的使用范圍，探討鋼筋混凝土筒倉的尺寸與倉壁厚度及配筋的關系，以及溫度對配筋的影響。

鋼筋混凝土筒倉； 深壁淺倉； 壁厚； 貯料壓力； 配筋設計

引言

筒倉是用來貯存散體物料的一種理想的常用倉型，它占地面積小，倉容量大，便于機械化作業。因此，在電力、糧食、煤炭、水泥、冶金等行業中有著廣泛的應用，特別是在冶金行業更為突出。按存儲的物料可分為原煤倉、煤粉倉、礦渣倉、石灰倉等。筒倉可分為淺倉和深倉。對淺倉與深倉的分類法有：按高徑比分類和按破裂面分類等多種，其中最簡單、且被廣泛采用的方式為： 當高徑比小于1.5時為淺倉； 當高徑比( 或高寬比) 大于或等于1.5時為深倉[1]。貯料的側壓力是散裝倉設計的重要參數，其計算正確與否直接關系到倉體結構是否安全、可靠、經濟、合理。世界上很多國家都出現過大量筒倉倉體破裂或倒塌的事故，中國也不例外，而這些事故大都是由于設計時荷載考慮不足引起的，造成了巨大的損失。另外，當筒倉貯存熱物料時，尤其物料溫度在60℃左右時，鋼筋混凝土的抗拉強度和彈性模量均有明顯降低，此溫度下所引起的變形增量，收縮和徐變加劇，尤其鋼筋與混凝土之間粘結力的變化，容易產生裂縫，不應忽視。常規計算方法很難考慮溫度的影響，采用Midas等有限元軟件可以較為準確地計算溫度應力，溫度裂縫。

特別在冶金行業，隨著鋼鐵生產規模的不斷提高，煤作為主要的輔助材料，儲煤筒倉也朝著大型化的趨勢發展。萬噸級容量的筒倉習慣性稱為大型筒倉。中國的大型儲煤筒倉大部分采用鋼筋混凝土結構，在貯料荷載的作用下，倉壁和漏斗壁的環向拉力較大，為滿足正常使用階段抗裂驗算的要求，往往需要很大的截面配筋，盡管如此，倉壁的裂縫仍難以控制在合理的范圍內。因此，設計人員提出采用預應力倉壁，充分利用混凝土的抗壓強度和高強鋼絲、鋼絞線抗拉強度高的特點，對倉壁施加預應力，用高強度鋼材來承擔倉壁的環向拉力，防止開裂，達到減小壁厚，節省大量混凝土及鋼材的目的。所以，設計者在鋼筋混凝土筒倉的結構設計中，在貫徹執行國家技術經濟政策前提下，做到技術先進、安全適用、經濟合理、確保質量是非常必要的。

1　布置及結構選型

1．1布置原則

(1)筒倉的平面布置應根據下列主要條件進行技術經濟比較后確定。

①工藝條件：包括筒倉容量、斗壁最小傾角、貯料特性資料、裝卸方式以及其他要求。

②地形條件：特別是在山區、礦區建造筒倉時，往往可充分利用地形條件取得比較滿意的經濟效果。

③工程地質條件：建造筒倉地段必須具有詳細的巖土工程勘察報告，并根據當地的地質情況選取合適的筒倉布置方案及地基基礎設計方案。

(2)筒倉的平面形狀，宜優先選用圓形。圓形筒倉與矩形筒倉相比，具有體形合理、倉體結構受力明確、計算構造簡單、倉內死料少、有效貯存率高等優點，經濟效果顯著。對現澆鋼筋混凝土圓形倉，更便于滑模連續施工。

(3)布置群倉宜選用單排布置或多排行列式布置。鋼筋混凝土圓形群倉，宜選用倉壁和筒壁(倉下支承結構)外圓相切的連接方式，以便于施工和配置鋼筋。

(4)特殊筒倉布置。直徑大于18 m的鋼筋混凝土圓形筒倉，因單倉荷載較大，不宜采用群倉布置方案，目的是防止地基土產生不均勻沉降，以免帶來設計處理上的困難。鋼筋混凝土圓形筒倉的倉壁和筒壁外圓相切的群倉，當總長度超過50 m時，以及柱子支承的矩形群倉，當總長度超過36 m時，均應設置伸縮縫，以避免由于溫差和混凝土收縮作用使筒倉結構產生超過規定的變形和裂縫。對于直徑大于10 m的圓形筒倉，倉頂上不宜布置有篩分設備的建筑。

圖1　圓形倉布置圖

圖2　矩形倉布置圖

1.2結構選型

筒倉結構一般由六部分組成，即：倉上建筑物、倉頂、倉壁、倉底、倉下支承結構(筒壁或柱)、基礎。

(1)倉壁。直接承受貯料水平壓力的豎壁。

(2)倉底。直接承受貯料的垂直壓力。應綜合考慮：①卸料暢通；②荷載傳遞明確， 結構受力合理；③造型簡單，施工方便；④填料較少。

倉底形式最常用的方式有整體連接式和非整體連接式：整體連接，倉底與倉壁整體澆筑，整體性較好，但不利于滑模施工，計算較復雜；非整體連接，倉底與倉壁分開布置，倉底通過邊梁(或環梁)支承于筒壁壁柱上，也可與倉壁完全脫開，簡化了計算，便于滑模施工。

(3)倉頂。鋼筋混凝土圓形筒倉的倉頂可采用梁板結構，當dn≥15 m時可采用鋼筋混凝土正截錐殼、正截球殼等結構形式。

(4)倉上建筑物。倉頂以上建筑物，有單層或兩層以上的廠房，一般布置有送料設備以及除塵設備等。

(5)倉下支承結構。倉壁、倉底和基礎之間的承重結構，須具有足夠的強度和穩定性。有柱子支承、筒壁支承、筒壁和內柱共同支承等形式。

(6)基礎。獨立筒倉一般采用擴展基礎、環板基礎、筏板基礎等；當筒倉荷載較大，采用天然地基又不能滿足變形要求時，一般應采用樁基礎。

2　工程實例

本文選取的筒倉工程實例是南京某礦渣微粉廠圓形筒倉，該倉直徑18 m，容量10500 t，構筑物總高度45 m，倉壁厚300 mm，筒壁厚300 mm，C35鋼筋混凝土。

圖3　南京某礦渣微粉倉斷面圖

2.1荷載和荷載組合

(1)筒倉結構設計時，應考慮下列荷載：

①永久荷載：結構自重、其他構件及固定設備施加在倉上的作用力、預應力、土壓力、填料及環境溫度作用等。

②可變荷載：平臺及樓面活荷載(3.0 kN/m2)、貯料荷載、倉頂屋面活荷載(3.0 kN/m2)、可移動設備荷載、固定設備中的活荷載及設備安裝荷載、積灰荷載(1.0 kN/m2)、筒倉外部的堆料荷載以及管道輸送產生的正、負壓力等。

③風荷載：基本風壓(0.40 kN/m2)。風荷載計算時，風載體形系數，對圓形單倉的倉壁和筒壁采用0.6，對矩形倉和倉壁相連的群倉采用1.3。

④地震荷載：本項目所在地區抗震設防烈度為7度[2]，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比為0.05。地震水平力計算時，取貯料總重的80%作為貯料的有效重量，而重心仍取滿倉時的貯料總重的重心。

(2)荷載組合，并應取其最不利者進行設計。

當地震荷載與下列荷載組合時：恒載，取1.0；貯料荷載，有頂蓋時取0.9，無頂蓋時取1.0；雪荷載，取0.5；積灰荷載，取0.7；樓面活荷載，按等效均布荷載考慮時，取0.5～0.7，按實際情況考慮時，取1.0；風荷載一般不用考慮。

荷載效應基本組合的設計值，其荷載分項系數按下列規定選用：結構自重，取1.2；貯料荷載，取1.3；樓面及平臺活荷載，取1.3(標準值>4 kN/m2)；屋面活荷載，取1.4；雪荷載，取1.4；風荷載，取1.4；地震作用，取1.3。

2.2計算結果

圖4　Midas Sig-max應力圖

圖5　Midas DXY位移圖

圖7　Midas Fmax內力圖

3　結　論

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方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。以本文礦渣微粉庫為例，正常情況下，倉壁的水平方向鋼筋若只需滿足抵抗水平力的要求，則只需配置直徑為14 mm的三級鋼筋既可。但為滿足控制裂縫的要求，實際上應配置直徑為22 mm的三級鋼筋。在建造承受拉力的筒壁時，施工單位通常使用滑模法施工。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。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。

對于貯存高溫貯料的鋼筋混凝土筒倉，倉壁溫度作用效應同時作用在倉壁的水平和垂直方向, 對倉壁的水平配筋和豎向配筋均有影響。當倉壁內、外壁溫差大于30℃時, 應綜合考慮材料強度和彈性模量的折減、施工技術措施，緩解溫差對倉壁開裂的影響。

4　結束語

有限元軟件在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優化設計，可以預見，隨著現代力學、計算數學和計算機技術等學科的發展，以Midas為代表的通用有限元軟件，必將在國民經濟建設和科學技術發展中發揮更大的作用。

[1]邱立超，陳慶國．鋼筋混凝土筒倉結構設計分析[J]．產業與科技論壇，2011；10(4)：99—101．

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010-2010．建筑抗震設計規范[S]． 2010．

[3]張少坤．大直徑鋼筋混凝土筒倉溫度荷載和貯料荷載作用有限元分析[D]．武漢：武漢理工大學，2008．

2015-08-12

TU249.3