某試驗型鋼筒倉受力性能及案例分析

牛 偉

(北京中核四達工程設計咨詢有限公司，北京 100038)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對煤粉、水泥熟料、氧化鋁粉等大宗散貨的進口需求不斷提升，繼而使我國港口的吞吐量躍居世界前列。盡管我國大宗散貨生產(chǎn)技術水平不斷進步，并在局部領域已處于國際領先地位，但其生產(chǎn)工藝和裝備的整體條件依舊落后，尤其在低能耗、低污染、高效率裝卸設備的研發(fā)和物料儲運模式等基礎研究方面，與國際領先技術仍存在較大差距，繼而制約了我國大宗散貨生產(chǎn)系統(tǒng)及模式的創(chuàng)新發(fā)展，不利于國家節(jié)能減排及相關政策的制定。

研究大宗散貨的封閉存儲技術是確保港口散貨可封閉存儲的重要保障。筒倉作為一種密封儲存大宗散貨的方式，是未來散貨儲運的發(fā)展趨勢，愈發(fā)受到人們的重視。筒倉分為鋼筋混凝土筒倉和鋼筒倉兩種。鋼筋混凝土筒倉存在混凝土用量大、建設周期長、投資大等缺點，正逐步被鋼筒倉取代；鋼筒倉擁有自重小、可充分發(fā)揮鋼材的受拉性能、施工方便、地基處理費用低、外形美觀等優(yōu)點，得到廣泛應用[1，2]。

2 工程概況

論文研究的鋼筒倉工程位于北京某試驗基地。建筑物為圓形鋼筒倉，直徑為8 m，高為19.4 m。倉頂采用圓錐殼，倉壁采用加勁肋，倉底采用圓錐漏斗，如圖1，圖2所示。筒倉在標高4.900 m處通過檢修平臺與旁邊供料塔相連。供料塔中的散貨物料，通過物料傳輸帶給鋼筒倉供料。試驗結束后，物料由筒倉底部卸料口排出，再經(jīng)物料傳輸帶運送至料坑。

3 結構布置及抗震等級

經(jīng)多方案分析比選后確定，倉下支撐結構采用鋼筋混凝土框架結構，倉底、倉壁、倉頂采用鋼結構。結合筒倉試驗的多樣性、靈活性，倉底漏斗采用活動式可拼接鋼板，拆裝便利。筒倉需考慮卸壓因素[3]，倉頂采用可掀式活動屋頂。棧橋及其上的物料傳輸帶由供料塔斜拉支撐，其荷載不施加至倉頂。

建筑物總高度為19.4 m，查閱《建筑抗震設計規(guī)范》[4]和《鋼筒倉技術規(guī)范》[5]，倉下支撐混凝土結構抗震等級為二級，鋼筒倉結構的安全等級為二級。

4 結構模型建立

采用盈建科建筑結構設計軟件V2016版對筒倉進行結構建模和計算分析。結構整體計算模型如圖3所示。

5 結構計算

5.1 計算參數(shù)

貯料荷載主要包括三種，分別為作用在倉壁上的水平壓力和豎向摩擦力，以及作用于倉底或漏斗頂面單位面積上的豎向壓力。通過分析項目特點，確定筒倉深倉貯料水平壓力修正系數(shù)Ch、深倉貯料豎向壓力修正系數(shù)Cv、貯料的重力密度γ等主要控制參數(shù)，從而形成作用在倉壁上的兩種荷載和倉底的均布面荷載。

經(jīng)計算并且查閱《鋼筒倉技術規(guī)范》，主要控制參數(shù)如下：

深倉貯料水平壓力修正系數(shù)Ch取2.0，深倉貯料豎向壓力修正系數(shù)Cv取2.0，貯料的重力密度γ取10 kN/m3(貯料為煤粉、木薯干、大豆，取高值)，筒倉水平凈截面的水力半徑ρ=dn/4=2 000 mm，貯料與倉壁的摩擦系數(shù)μ取0.40(煤粉、大豆對鋼板的摩擦系數(shù)分別為0.40,0.30[6])，貯料的內摩擦角取40°(煤粉、木薯干、大豆的內摩擦角分別為25°～30°,41°～44°,25°)。

混凝土強度等級采用C30。型鋼采用Q235B，鋼板采用Q345B。

5.2 計算結果

1)軸壓比μN=N/fcA=0.56<0.85，符合要求[4]。

2)柱沖切。筒倉下部支撐結構框架柱頂端布置柱帽(1 200 mm×1 200 mm×400 mm)，柱根對柱帽、柱帽對托板的沖切效應最大比值分別為0.32，0.50，符合要求[7]。

3)整體抗傾覆驗算。建筑高寬比H/D<4，結構基礎底面與基礎之間零應力區(qū)面積小于15%，符合要求[5]。

4)整體穩(wěn)定性驗算。鋼筒倉需計算整體穩(wěn)定性，結構剛重比Di×hi/Gi>10，符合整體穩(wěn)定驗算要求[8]。同時，結構剛重比Di×hi/Gi>20，可不考慮重力二階效應。

5)倉底基礎及基礎沉降。筒倉采用鋼筋混凝土筏板基礎，按荷載標準組合，基底最大壓力值pk=212 kPa，基底壓力圖如圖4所示。經(jīng)查閱地質勘察報告，現(xiàn)場地基承載力不滿足要求，設計提出采用直徑D=450 mm，間距為1 200 mm，長度為10 m的水泥粉煤灰碎石樁對現(xiàn)場地基進行處理，處理后復合地基承載力特征值fa=262 kPa。pk≤fa[9]，符合要求。

從基礎位移等值線云圖(如圖5所示)得知，結構基礎平均沉降量為7 mm<200 mm，且基礎傾斜率k=Δh/R=7.8×10-5<2×10-3，均符合要求[5]。

6 結構受力性能分析

6.1 倉體面外荷載分析

通過筒倉倉體面外荷載圖分析，筒倉在裝載貯料后，倉壁受到的荷載作用自上而下沿貯料深度逐漸增加而增大，倉壁上部最小，壓力為3 kN，下部達到最大，壓力為104 kN，荷載圖呈倒錐形分布，如圖6所示。

6.2 加勁肋分析

在鋼筒倉結構中，加勁肋可抵抗風、地震、內裝貯料的側向荷載，增加倉體的穩(wěn)定性，以及承受部分豎向荷載。除高度低、直徑小的鋼筒倉外，其余鋼筒倉均設置加勁肋，加勁肋的下部應與下部支撐結構混凝土板牢固連接[6]。項目選用沿倉壁全高的方式設置加勁肋，沿圓形筒倉圓心15°角依次設置。加勁肋間距為1.05 m。

通過筒倉墻體應力云圖分析，筒倉在裝載貯料后，在貯料的水平壓力的作用下，倉壁將向外移動。當不設置加勁肋時，水平側壓力完全由倉壁環(huán)向拉力平衡；當設置加勁肋時，與倉壁鋼板連接為一體的加勁肋限制了倉壁的向外移動。從貯料頂面起，倉壁應力沿倉壁豎向自上而下隨貯料深度加大而逐漸加大，到筒體根部時倉壁承受拉力達到最大，如圖7所示。

6.3 環(huán)向拉梁分析

筒倉中環(huán)向拉梁的作用是抵抗周向壓應力和由倉斗傳給環(huán)向拉梁的徑向拉應力，以及確保豎向加勁肋的穩(wěn)定性。鋼筒倉內存儲的大宗散料作用在漏斗壁上的內壓及向下摩擦力均導致漏斗壁產(chǎn)生沿母線方向的拉力。

通過筒倉墻體應力云圖分析，在設置環(huán)向拉梁的位置處，倉壁受到的應力較小。因此，環(huán)向拉梁有利于提高鋼筒倉的強度和穩(wěn)定性。此外，沿筒倉高度設置環(huán)向拉梁不僅可約束倉壁的向外移動趨勢，而且可很大程度上削弱倉壁所受拉力，確保環(huán)梁與倉壁協(xié)同受力、合理工作。

7 結構設計

按照上述結構計算及受力分析結果，提出如下設計方案。筒倉下部支撐結構采用6根直徑為900 mm的鋼筋混凝土立柱，立柱間采用規(guī)格為1 700 mm×900 mm的鋼筋混凝土環(huán)梁連接，支撐平臺板采用900 mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。基礎采用鋼筋混凝土筏板基礎，基礎底板厚度為1 000 mm，挑出寬度為2 400 mm，如圖8所示。地基采用水泥粉煤灰碎石樁，直徑為450 mm，間距為1 200 mm，長度為10 m。

倉壁采用10 mm厚的焊接鋼板，加勁肋采用2根16a槽鋼依次按筒倉平面圓心15°設置，且在倉壁外側沿豎向每隔2 500 mm設一道規(guī)格為16a槽鋼環(huán)梁，如圖9所示。

8 結語

1)鋼筒倉因其自重小、可充分發(fā)揮鋼材的受拉性能、施工方便、地基處理費用低、擁有外形美觀等優(yōu)點，愈發(fā)受到人們青睞。

2)對鋼筒倉建模時，應先查明筒倉內貯料種類，并確定貯料輸入的相關物理參數(shù)。并針對筒倉下部支撐結構的軸壓比和柱沖切、整體結構的抗傾覆和穩(wěn)定性、基礎沉降進行計算。

3)隨著筒倉內貯料深度的加大，筒倉倉壁所受拉力沿豎向自上而下逐漸增大，至倉壁根部達到最大值。故筒倉根部與下部支撐結構的錨固連接是工程設計的關鍵環(huán)節(jié)。

4)沿豎向設置環(huán)向拉梁，可有效約束倉壁壓力和位移。