一種新型半架空鋼筋混凝土淺圓倉的理論分析及應用

曹利崗 席 達 趙小燕

1河南工大設計研究院（450001） 2 河南建筑職業技術學院（450007）

0 前言

淺圓倉是一種節地儲糧倉型，既滿足糧食儲備的性能要求，又能快速機械化進出糧，目前在糧食行業已得到廣泛應用[1]。淺圓倉有兩種形式：地下通廊式、架空式。此兩種淺圓倉統稱為常規淺圓倉。

地下通廊式淺圓倉是最早形成的淺圓倉形式。其優點是相對經濟，缺點是地下通廊易漏水易積灰。近年來，隨著泄爆要求越來越嚴，給地下通廊的設計帶來較大難度，現在建設的越來越少。

架空式淺圓倉是對地下通廊式淺圓倉的改進，把地下通廊上提至地面，讓倉體架到空中。優點是解決地下通廊漏水及泄爆問題，缺點是清倉設備進入倉內需要設置架空坡道，或利用吊舉裝置把清倉設備引入。架空式淺圓倉即占用用地空間又加大建設投資，安全作業隱患較多。

鑒于此，文章介紹一種新型半架空、用于存儲散糧的多功能糧倉。與架空式淺圓倉相比，半架空淺圓倉更加經濟和方便，解決了架空式淺圓倉的清倉設備進倉難問題和土方量大的問題。與地下通廊式淺圓倉相比，半架空淺圓倉更加合理和安全，解決了地下通廊式淺圓倉的地下漏水問題和粉塵泄爆問題。

1 工程概況

鋼筋混凝土新型半架空淺圓倉，倉直徑28 m，淺圓倉直段高27.1 m，倉壁厚為250 mm，環梁尺寸為500 mm×800 mm，底部支撐柱尺寸為750 mm×750 mm，倉底板厚度為500 mm，倉內填裝的貯料為大豆，其重力密度為ρ=7.5 kN/m3，內摩擦角25°，貯料對倉壁的摩擦系數μ=0.4。

考慮到場地地塊內有一坡度為7°的斜坡場地，淺圓倉的支承方式上分為兩種，一種是將場地平整完畢，在沒有坡度的平地上采用傳統倉型，即用倉壁和支撐柱將淺圓倉上部倉體托起，倉底不與地面直接接觸，形成一種完全架空的淺圓倉，此種做法為目前國內外傳統的做法。文章中考慮一種創新做法，即在有坡度的場地，利用其天然坡度，將一半倉底直接落在斜坡上，另一半倉底板用倉壁和支撐柱架起，整個倉體由倉壁、支撐柱和斜坡地面共同撐起，形成柱壁+ 地面的支撐形式。此種淺圓倉結構形式為一種新的倉型，被人們稱之為半架空淺圓倉。

2 有限元計算

2.1 半架空淺圓倉的有限元模型建立

半架空淺圓倉相關參數如下:直徑28.0 m，淺圓倉直段高27.10 m。采用ABAQUS 程序對淺圓倉滿倉時的荷載條件進行有限元靜力分析，淺圓倉殼壁采用C3D8R 實體單元模擬，倉底平臺及支柱采用C3D10 四面體單元模擬，鋼筋混凝土彈性模量取值為E=3.7×104 N/mm2，泊松比取0.2，質量的密度取2 500 kg/m3。倉壁底部、底板無柱支撐底部（直接支撐于基礎）及柱底采用固支的邊界條件。

2.1.1 荷載條件

恒荷載DL 取值:荷載分項系數取1.3，倉頂恒載為0.5 kN/m2，鋼筋混凝土構件自重為2 500 kg/m3；

活荷載取值:散料的荷載分項系數取1.3，其他取1.5 倉頂活載LL1 為4 kN/m2，散料荷載LL2。

作用于倉壁水平壓力最大值:

作用于倉底底板:pv=γs=7.5×22.6=169.5 kN/m2

雪荷載SL:0.35 kN/m2；

風荷載W:結合當地實際情況，基本風壓取0.4 kN/m2。風壓高度變化系數取1.342。

風荷載體型系數按下面規定取值。

對于作用于單個圓柱形淺圓倉倉壁的風荷載，如下式所示。

其中，dc為淺圓倉直徑，H 為淺圓倉高度。迎風面30°范圍內風荷載對倉壁的作用為壓力，其他區域風荷載對倉壁的作用為拉力。

風荷載標準值:wk=1.0×1.342×0.4×us=0.54uskN/m2

其中，us在ABAQUS 中通過定義函數的形式實現。

荷 載 組 合:1.3 ×DL+1.3 ×LL2+1.5 ×0.7 ×LL1+1.5×0.7×SL+1.5×0.6×WL。

2.1.2 有限元分析結果

淺圓倉倉壁在荷載組合作用下沿圓周方向的應力分布，最大拉應力值為4.281 MPa，出現在底部平臺與倉壁連接區域。需要說明的是，雖然此應力值超過了混凝土的允許拉應力值，但由于鋼筋的作用，截面產生的拉應力主要由鋼筋承擔，倉壁環向配筋換算為鋼筋的應力值，小于鋼筋的允許應力值，滿足規范要求。環梁在荷載組合作用下沿圓周方向的應力分布，最大拉應力值為1.919 MPa。倉壁沿圓周方向的位移分布，最大位移值為0.437 mm，出現在倉頂靠近開洞區域，遠小于規范允許值，滿足規范要求。倉壁沿豎直方向的位移分布，最大位移值為4.143 mm，出現在倉頂板中部區域，小于規范允許值10 592/400=26.48 mm，滿足規范要求[2]。

倉底板及支柱在荷載作用下水平X 方向及水平Z 方向的應力分布，最大拉應力值為14.762 MPa，出現在柱與底板連接部位，由作用于底板的貯料荷載引起的負彎矩引起。雖然此應力值超過了混凝土的允許拉應力值，但由于鋼筋的作用，截面產生的拉應力主要由鋼筋承擔，換算為鋼筋的應力值，小于鋼筋的允許應力值，滿足規范要求。倉底板及支柱豎直方向的位移分布，最大位移值為3.039 mm，出現在支柱之間的板帶中央部位，小于規范允許值4 500/400=11.25 mm，滿足規范要求。倉底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值僅為0.312 mm。

2.2 常規淺圓倉的有限元模型建立

本節采用ABAQUS 程序對淺圓倉滿倉時的荷載條件進行有限元靜力分析。相關幾何參數及單元網格劃分同本文2.1 節。

2.2.1 荷載條件

恒荷載、活荷載、風荷載、散料荷載取值同本文2.1 節。

2.2.2 有限元分析結果

淺圓倉倉壁在荷載組合作用下沿圓周方向的應力分布，最大拉應力值為4.86 MPa，出現在底部平臺與倉壁連接區域。需要說明的是，雖然此應力值超過了混凝土的允許拉應力值，但由于鋼筋的作用，截面產生的拉應力主要由鋼筋承擔，倉壁環向配筋換算為鋼筋的應力值，小于鋼筋的允許應力值，滿足規范要求。環梁在荷載組合作用下沿圓周方向的應力分布，最大拉應力值為2.039 MPa。倉壁沿圓周方向的位移分布，最大位移值為0.344 mm，出現在倉頂靠近開洞區域，遠小于規范允許值，滿足規范要求。倉壁沿豎直方向的位移分布，最大位移值為4.498 mm，出現在倉頂板中部區域，遠小于規范允許值11 034/400=27.58 mm，滿足規范要求。

倉底板及支柱在荷載作用下水平X 方向及水平Z 方向的應力分布。最大拉應力值為18.07 MPa，出現在柱與底板連接部位，由作用于底板的貯料荷載引起的負彎矩引起。雖然此應力值超過了混凝土的允許拉應力值，但由于鋼筋的作用，截面產生的拉應力主要由鋼筋承擔，換算為鋼筋的應力值，小于鋼筋的允許應力值，滿足規范要求。倉底板及支柱豎直方向的位移分布，最大位移值為4.48 mm，出現在支柱之間的板帶中央部位并且小于規范的允許值5 800/400=14.5 mm，滿足規范要求。倉底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值僅為0.475 mm。

3 兩種倉下支承的模型對比分析

在滿倉工況下，分別進行半架空淺圓倉和常規淺圓倉彈性分析，得出同工況下兩者倉壁、倉底板和環梁除的最大拉力、最大位移矢量。計算結果見表1 和表2。

表1 淺圓倉各部位最大拉應力值

表2 淺圓倉各部位最大位移值

根據模擬結果并結合相關規范可知，采用兩種支承方式的鋼筋混凝土淺圓倉結構穩定可靠，關鍵部位的最大拉應力和最大位移值均未超限。

從表1 可以看出，采用半架空淺圓倉在倉壁、環梁、倉底板處所受的拉力均比常規淺圓倉支撐方式的要小。

從表2 可以看出，采用半架空淺圓倉除了倉壁沿圓周方向的位移稍大，倉壁的豎向位移、倉底板的豎向位移和水平位移均比采用柱壁支撐方式的淺圓倉要小。

4 結語

通過模擬同種工況下兩種支承方式的鋼筋混凝土淺圓倉受力情況，并對模擬結果進行分析，可得到如下結論[3-5]。采用半架空淺圓倉的支承方式，鋼筋混凝土淺圓倉在倉壁、環梁、倉底板等關鍵部位的受力情況要優于同工況下常規淺圓倉支撐方式的淺圓倉。在同工況下，半架空淺圓倉在倉壁、底板等關鍵部位的最大位移值大多小于采用柱壁支撐方式的淺圓倉。但半架空淺圓倉在倉壁沿圓周方向位移較采用常規淺圓倉的要大。建議在實際工程中應注意對此位置位移量的驗算，以防止超限。

綜合上述結論可以判斷，采用半架空淺圓倉的淺圓倉可依托坡地地勢建造、大幅節約土地成本、節省土方量的同時，在同工況下受力性能優于常規淺圓倉。結合實際工程，文章為采用半架空淺圓倉的選擇提供了科學依據，為實際工程提供了更經濟合理的結構形式。