組合式筒倉鋼骨架結構選型研究

馬夢云 唐敢 尹凌峰 莊紅

【摘 要】筒倉結構在糧食存儲方面發揮著重要作用。論文研究了一種受力性能合理高效而且能提供良好溫控性能的新型筒倉，即超大型圓臺狀鋼—索—竹組合式筒倉結構。對一個115英尺的圓形筒倉，僅在儲料荷載下進行模擬分析，通過參數化計算，對筒倉鋼骨架結構體系進行初步選型與分析，從而得出此算例下相對比較合適的布置方式以及梁柱截面尺寸。研究結果表明：在本案例中，環梁間距宜控制在1～2m之間；立柱的截面尺寸與環梁的截面尺寸密切相關，應根據不同的要求采取不同的布置方式。

【Abstract】The silo structure plays an important role in the grain storage. The paper studies a new type of silo that with reasonable and efficient mechanical performance and good temperature control performance， that is， super large round steel cable bamboo composite silo structure. A simulation analysis of a 115 foot circular silo under storage load is carried out. Preliminary selection and analysis of steel skeleton structure system of silos is carried out through parametric calculation， so as to get the relatively appropriate layout and beam column section size under this example. The results show that in this case， the spacing between girders should be controlled between 1～2m. The sectional dimension of column is closely related to the sectional dimension of ring beam， and different arrangement methods should be adopted according to different requirements.

【關鍵詞】鋼骨架結構；儲料荷載；參數化

【Keywords】steel skeleton structure system； storing load； parametric calculation

【中圖分類號】TU391，TU398+.9 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）10-0150-02

1 引言

筒倉結構廣泛應用于農業、礦業、化工等諸多領域中的散料儲存[1]。隨著糧食流通體制的不斷改革，具有中轉、存貯功能的筒倉得到了更為深入的研究和應用，特別是容量較大的筒倉，大型化和超大型化是糧食筒倉發展的趨勢[2]。

不難發現，現有的國內外超大型筒倉多為鋼筋混凝土倉（高度可達到60多米）[3]。隨著鋼筒倉的不斷發展，雖然出現了倉容超過了10 萬噸（直徑達到100m）的落地式鋼筒倉，但大部分鋼筒倉的倉容小于1.6 萬噸。由于儲糧荷載的大小與筒倉高度直接相關[1]，因此鋼筒倉倉容的發展主要是采用增大直徑的方法，這顯然不利于節省使用土地。同時，目前鋼筒倉的保溫設計大多數采用外涂保溫材料，雖然在能一定程度上起到保溫效果，但不能參與整體受力，且價格不菲[10]。怎樣協調鋼筒倉保溫性及其經濟性，是筒倉研究的熱點與難點。

本文研究的超大型圓臺狀鋼-索-竹組合式筒倉主要是由環梁和立柱組成的鋼骨架、竹材倉壁板、倉頂、鋼索組成，示意圖如圖1。該筒倉可通過調整自身的桿件布置、材料分布等方式很好地完成儲料荷載作用下的傳力路徑的自調節過程，同時通過“立體通風+隔熱導溫”方式來達到溫度調控的目的。該新型筒倉已獲得國家知識產權局的專利授權[4]。

其中，筒倉鋼骨架結構除了可以很好地約束筒倉整體和竹材倉壁板的變形外，還為竹材倉壁板提供邊框[5]。筒倉結構主要受儲料荷載的作用，而且一般作用時間比較長[6]；同時考慮圓臺狀倉壁傾角較小且對網格劃分無太大影響，因此本文對圓形筒倉結構進行儲料荷載作用下的有限元模擬，通過參數計算，對鋼骨架結構體系進行初步選擇和分析，得到合理的網格劃分方式、網格尺寸和桿件截面。

2 有限元模型建立

本文以115英尺的圓形筒倉為算例進行鋼骨架結構的選型分析，筒倉直徑D=35.052m，高H=32m。

按筒倉分類，本文筒倉為淺倉，儲料荷載的計算方法見《糧食鋼板筒倉設計規范》[1]。對鋼骨架施加儲料荷載的方式為：將筒倉不同高度處竹材倉壁板的受力簡化為點荷載施加在對應高度處環梁節點上。本筒倉主要用于儲存糧食，按大豆計算，其容重γ=7.5kNm3，大豆與竹板的摩擦系數為0.2。

3 鋼骨架的布置方式

3.1 環梁布置方式

本節對環梁布置的方式進行了一定的初步調查和研究，主要將他們分成了兩大類，①環梁沿全高均勻分布，間距分別為4m、2m、1m；②底部局部加密0～16m間距2m，16～32m間距4m；0～16m間距1m，16～32m間距2m。共建立五個基本計算模型，僅僅對儲料荷載下的筒倉強度這一問題進行了分析，通過進行調整每一道環梁截面的尺寸，并將其環向最大應力比例盡量控制在0.8～0.85之間，從而得出了不同計算模型的總用鋼量分別為159t、171t、173t、173t、177t。

可知：考慮竹板的承載力及尺寸問題，環梁間距宜控制在1～2m之間；環梁間距對結構用鋼量影響不大。

3.2 立柱布置方式

在倉頂結構構件的在允許應力范圍以內的情況之下，環梁是按3.1節較優布置，對立柱按不同的布置方案進行了優化分析。對倉壁板來說，儲料產生的法向側壓力是對稱分布的，因此不考慮其穩定問題，僅將立柱作為壓彎構件考慮其強度問題。立柱考慮采用變截面H型鋼。得到在此模型下立柱布置為48根較節省。

3.3 梁柱整體布置方式

本節在2、3節布置方案粗略的計算分析上，選擇48根立柱進一步優化：

優化方案一：0～18m內環梁間距1.5m；18～32m內環梁間距2m。

優化方案二：1.5～7.5m內環梁間距1m；7.5～18m內環梁間距1.5m；18～32m內環梁間距2m。

對兩種優化方案下計算模型按3.1節中方法進行有限元計算分析，不同標高處環梁與立柱的截面尺寸及其最大應力比。

可知：兩個方案的總用鋼量基本相同，用鋼量的不同主要在筒倉底部處；優化方案一中筒倉節點徑向位移比優化方案二大，但是相差不多，方案一的最大值為20.439mm、方案二的為20.131mm；優化方案一的桿件數少于優化方案二；綜合考慮，方案一為該算例下鋼骨架結構較優布置方式。

4 結語

本文介紹了超大型鋼-索-竹組合式筒倉的結構形式，并對儲料荷載下圓形筒倉鋼骨架結構體系進行了有限元模擬分析，建立了多個模型，得到了算例筒倉鋼骨架結構的較優選型，主要結論如下：①環梁的布置方式：1～2m為環梁較適宜間距；考慮到環梁與立柱連接方式，可通過局部加密的方法來減小環梁截面的尺寸。②立柱的布置方式：立柱布置方式改變對結構強度影響不大，可根據實際要求改變柱的布置方式以適應環梁截面尺寸。③此算例下較優布置方式為：0～16m內環梁間距1.5m、16～32m內環梁間距2m，立柱沿環向均勻布置48根（方案一），因為此時立柱和環梁總用鋼量較小，桿件數較小，節點徑向位移較小。

【參考文獻】

【1】中華人民共和國建設部.糧食鋼板筒倉設計規范GB50322-2011 [S].

【2】滕錦光，趙陽.大型鋼筒倉的結構行為與設計[J].土木工程學報，2001，34（4）：46-55.

【3】崔元瑞.我國儲料構筑物建設的發展和回顧[J].特種結構，2000，17（1）：8，68.

【4】蘇瑞杰，郭志博. 超大型筒倉系統發展分析[J].華電技術，2014，36（12）：43-46.

【5】莊紅.儲料荷載下超大型鋼筒倉自調節傳力路徑研究[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2014.

【6】Nateghi F， Yakhchalian M. Seismic Behavior of Reinforced Concrete Silos Considering Granular Material-Structure Interaction[J]. Procedia Engineering， 2011（14）：3050-3058.