扶壁柱支撐半地下混凝土平房倉結構性能分析

金立兵，李中原，張慶章，咸慶軍，李 昭

河南工業大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001

我國每年對糧食的需求量在5億 t以上，1998—2005年在國家糧食儲備庫建設期間，平房倉建設倉容占總倉容的85%以上[1]。近年來，平房倉裝糧高度已達8 m以上，部分高大平房倉裝糧高度突破12 m，但占地面積大仍然是突出問題。王森[2]基于顆粒流(二維)理論建立平房倉結構縮尺模型，通過模擬散體與平房倉結構縮尺模型的相互作用試驗，探討了平房倉結構與散體的相互作用規律。丁永剛[3]利用有限元軟件分析填充砌塊強度對糧食側壓力作用下密肋復合墻體受力性能的影響，認為填充砌塊對墻體的抗彎剛度有很大的貢獻。孫文倩[4]對雙T板屋蓋的平房倉糧庫進行受力性能分析，提出了雙T板與柱頂圈梁之間最合理的連接構造方法。劉岳君[5]通過對不同柱腳的結構設計形式的受力性能、變形情況進行對比分析，發現了柱腳和基礎設計的相關規律與特性。對大跨度散裝平房倉柱下獨立基礎地基承載力問題，運用不同的計算方法進行對比分析，提出更實用的獨立基礎地基承載力計算方法[6-8]。黃鸝[9]通過對不同跨度、不同堆糧高度的平房倉排架柱進行受力分析，發現隨裝糧高度的增加柱配筋量增長較快，相同裝糧高度時，柱配筋量隨跨度增加基本保持不變。劉永超[10]采用三維顆粒流分析軟件PFC3D建立了平房倉的縮尺模型，發現受裝糧高度、摩擦力和堆積時間等因素的影響，單點的糧堆底部壓力與糧堆高度呈近似線性關系，但糧堆底部壓力整體上分布是非均勻的。范量[11]分析了糧食平房倉基礎設計的偏心問題，確定了基礎偏心距的合理取值。陳家豪[12]通過對高大平房倉散裝糧糧堆底部壓力進行PFC離散元模擬，得出糧堆底部豎向壓力與糧堆堆積高度之間的聯系。

以上研究主要集中于平房倉的構件層次，沒有解決裝糧高度增加導致糧食荷載效應過大的問題。作者通過對不同扶壁柱高度、角度、裝糧品種及裝糧高度的半地下平房倉結構進行受力分析，為節約土地、提高倉容、保證糧食品質提供理論支撐。

1 工程概況

天津利達糧食半地下平房倉項目位于天津市，共建9個半地下平房倉，總倉容達16萬t，平房倉倉身長度60 m，跨度30 m，裝糧高度16 m，場地為Ⅲ 類場地、中軟土。

2 新型結構形式和受力特點

2.1 新型結構形式

選用建筑平面形式為矩形，柱距為3 m，屋面選用雙T板，在柱子外側引入扶壁柱，用來抵消糧食側壓力引起的不利效應。扶壁柱支撐半地下平房倉剖面如圖1所示。

圖1 扶壁柱支撐半地下平房倉剖面Fig.1 Section diagram of semi-underground horizontal warehouse with buttress pillars

2.2 結構受力

散裝糧食半地下倉分別承受糧食產生的側壓力(ph)、豎向摩擦力(pf)和外部土產生的被動土壓力(ep)：

ph=kγs,

(1)

pf=ksγtanδ,

(2)

ep=γzkp,

(3)

式中:k為平堆時糧食側壓力系數；γ為糧食重力密度，kN/m3；s為糧食頂面至計算截面的距離，m；δ為糧食對灰砂粉刷面的外摩擦角，(°)；kp=tan2(45°+φ/2)，φ為黏性土內摩擦角，(°)；糧食物料物理參數，如表1所示。

表1 糧食物料物理參數Table 1 Grain material physical parameters

3 扶壁柱體系結構的提出

3.1 模型建立

采用ABAQUS軟件進行模擬分析，儲糧品種按照散裝大米進行結構分析，重力密度為8.5 kN/m3，散裝糧食半地下平房倉主要由倉壁、梁、柱、雙T板構成，柱與基礎固接，倉壁與梁、柱的連接采用固接，雙T板屋蓋與梁鉸接。倉壁分為地上倉壁和地下倉壁，地上倉壁選用鋼筋混凝土聯系梁加砌體的組合結構形式，即在適當位置以倉壁柱子為支座設置水平方向的聯系梁，聯系梁之間用砌體填充而形成的組合倉壁，地下倉壁選用鋼筋混凝土墻。半地下平房倉的建筑材料除地上倉壁采用部分砌體外，其他構件均采用鋼筋混凝土材料，材料參數根據現行規范選取。

3.2 普通地上、無扶壁柱半地下及3 m扶壁柱支撐半地下3種平房倉倉型受力分析

利用3.1中參數計算倉高為18 m，裝糧高度為16 m的普通地上平房倉的受力及變形，計算結果如圖2所示。

圖2 普通地上平房倉應力云圖Fig.2 Stress nephogram of ordinary ground horizontal warehouse

由圖2可以看出，最大應力(15.9 MPa)位于柱腳處，所受應力過大，結構可能受到破壞。為了抵消糧食側壓力，提高結構的整體承載能力，引入半地下倉體系，結合天津利達實際工程，地下部分為4 m，保持倉容量與上述普通地上平房倉倉容量一致，地上裝糧高度12 m，總裝糧高度仍為16 m，建立模型并進一步分析，應力計算結果如圖3所示。

圖3 無扶壁柱半地下平房倉應力云圖Fig.3 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse without buttress pillar

從圖3可以看出，結構最大應力仍位于柱腳處，應力降為11.31 MPa，有明顯地降低，但結構應力仍然較大，為了平房倉結構安全，考慮在模型外部，引入扶壁柱體系，在柱子外側增加扶壁柱，扶壁柱高度初步定為3 m，傾斜角為60°。計算結果如圖4所示，結構最大應力降為4.99 MPa，引入扶壁柱之后的平房倉結構最大應力相較于前兩種倉型結構有明顯的減小，且最大應力出現位置由普通地上平房倉和無扶壁柱半地下平房倉的柱底部轉移到扶壁柱與結構柱的連接部位，因此采用扶壁柱支撐半地下糧食平房倉方案是完全可行的。

圖4 3 m扶壁柱支撐半地下平房倉應力云圖Fig.4 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse with 3 m buttress pillars

普通地上、無扶壁柱半地下與3 m扶壁柱支撐半地下平房倉結構最大位移均位于側面山墻頂部，選擇側壁頂部，分析3種平房倉情況下的位移變化，結果如圖5所示。

圖5 不同平房倉側壁頂端位移變形情況Fig.5 Top displacement deformation of the side wall of different horizontal warehouses

由圖5可以看出，側壁山墻頂部位移變化呈類拋物線形向外變形，結構最大位移集中在側壁頂部中間1/3部分，最大值處于側壁頂部最中心，加扶壁柱之前，普通地上平房倉與無扶壁柱半地下平房倉側壁頂部位移普遍較大，集中在20～28 mm之間，加扶壁柱之后，結構最大位移為7 mm，較前兩種倉型結構最大位移明顯減小，且側壁整體偏移位移更趨穩定，在距邊柱5～25 m范圍內，結構位移穩定在7 mm左右，表明結構更加穩定。

4 不同扶壁柱高度、角度、裝糧品種及裝糧高度的整體性能分析

4.1 不同扶壁柱高度下的整體性能分析

為了得到更為合適的結構模型，針對不同扶壁柱高度進行分析比較，扶壁柱傾斜角為60°，高度分別為2、3、4 m。對于加扶壁柱之后的平房倉結構模型，結構最大應力位于扶壁柱與結構柱連接處，結構最大位移仍位于側壁頂部。對3種扶壁柱高度情況下的模型進行分析，結構最大位移和最大應力如圖6所示，由圖6可以看出，在提高扶壁柱附柱高度的過程中，結構最大位移和最大應力逐漸減小，其中最大位移最大值為9.6 mm，最大應力最大值為6.6 MPa，因此可以得出，扶壁柱越高，結構模型越穩定；結構最大位移的變化接近線性變化，而結構最大應力在扶壁柱標高分別為3 m和4 m時相差不大，最大應力均不超過5.0 MPa，從結構用料角度考慮，扶壁柱支撐高度越低越省材料，因此綜合考慮，扶壁柱的支撐高度架在3 m處更為合適。

圖6 不同扶壁柱高度下結構最大位移和最大應力變化情況Fig.6 Maximum displacement and maximum stress of different buttress pillar heights

4.2 不同扶壁柱傾斜角下的整體性能分析

在倉壁外側增加扶壁柱，不僅要考慮扶壁柱高度設計，更要考慮扶壁柱的傾斜角度。分別針對45°、60°、75°扶壁柱傾斜角進行比較分析，其中扶壁柱高度為3 m。模型在3種扶壁柱傾斜角度的情況下的受力及變形，結果如圖7所示。

圖7 不同扶壁柱傾斜角結構最大位移和最大應力變化情況Fig.7 Maximum displacement and maximum stress of different buttressed pillar angles

由圖7可以看出，扶壁柱傾斜角從45°增大到75°，結構最大位移在不斷增大，且是先緩后急，而結構最大應力先減小后增大，傾斜角為60°時，結構最大應力最小，而從45°到60°，結構最大位移并無太大變化。在扶壁柱附柱高度相同時，傾斜角越小，糧倉整體結構用料越多，所占面積越大，綜上所述，扶壁柱傾斜角為60°左右時更為合理。

4.3 不同裝糧品種下的整體性能分析

為了分析不同糧食對半地下平房糧倉結構的影響，在裝糧高度為16 m，扶壁柱高度為3 m，傾斜角為60°情況下，分別采用大米、小麥、玉米3種裝糧品種進行模擬分析，不同裝糧品種結構的最大位移和最大應力變化情況如圖8所示。

圖8 不同裝糧品種最大位移和最大應力變化情況Fig.8 Maximum displacement and maximum stress of different grain varieties

由圖8可知，結構最大位移最大值為8.0 mm，最大應力最大值為5.6 MPa，說明該倉型適用于多種裝糧品種。由2.2中公式(1)、(2)可知，作用于倉壁單位面積上的側壓力和豎向摩擦力不僅與糧食容重有關，還與糧食側壓力系數及外摩擦角有關，在其他條件不變的情況下，水平壓力與豎向摩擦力越大，結構最大位移和最大應力越大。

4.4 不同裝糧高度下的整體性能分析

為進一步分析裝糧高度對平房倉結構的最優情況，分別采用裝糧高度15、16、17 m，扶壁柱高度為3 m，傾斜角為60°，裝糧品種為大米進行模擬分析，受力及變形結果如圖9所示。

圖9 不同裝糧高度最大位移和最大應力變化情況Fig.9 Maximum displacement and maximum stress of different loading heights

由圖9可知，隨著裝糧高度的增加，結構最大位移和最大應力逐漸增大，其中最大應力最大值6.5 MPa，最大位移最大值為10.2 mm；裝糧高度既要保證儲糧空間的充分利用，又要杜絕空間的浪費，裝糧高度在17 m時，結構最大位移已達到10 mm以上，同時考慮裝糧線以上的作業空間等因素，建議裝糧高度為16 m，既滿足結構設計安全需求，又保證了儲糧空間的充分利用。

5 結論

通過分析不同情況下散裝糧半地下混凝土平房倉結構的受力和變形，得出以下結論：散裝糧食半地下混凝土框架平房倉中引入扶壁柱體系，減小了結構側向位移，結構最大應力由柱子底部轉移到扶壁柱與柱子連接處，且最大應力顯著減小；平房倉側壁頂端位移呈類拋物線形式向外變形，最大位移位于側壁頂端中間1/3部分，加扶壁柱之后，結構最大位移較之前明顯降低，且側壁整體偏移位移更趨穩定。扶壁柱支撐高度3 m、支撐角為60°、糧倉裝糧高度為16 m時最佳，占地面積合理，該倉型只增大外部扶壁柱的占地面積，能使倉容量大幅提高，且適用于多種裝糧品種。以天津利達糧食半地下平房倉項目為依托，地下儲糧高度定為4 m，最優地下儲糧高度尚需進一步研究。