礦山鋼筋混凝土礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

李鑫明

廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司（361000）

礦山鋼筋混凝土礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

李鑫明

廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司（361000）

特種結(jié)構(gòu)是指除普通的工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)、交通土建工程、礦山、碼頭和水利水電工程結(jié)構(gòu)研究對(duì)象以外的，在土木工程中有廣泛用途的、功能比較特殊的，且結(jié)構(gòu)的作用以及結(jié)構(gòu)的形式比較復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)[1]。這里結(jié)合某礦區(qū)工程案例，簡(jiǎn)述了礦倉(cāng)設(shè)計(jì)中牽扯到的一些問題，希望能給類似的設(shè)計(jì)提供參考。

礦倉(cāng)；結(jié)構(gòu)選型；鋼筋混凝土

1 工程概況

礦倉(cāng)是冶金工業(yè)中必不可少的一種短期貯存生產(chǎn)散料的構(gòu)筑物。篩分車間的礦料通過膠帶廊運(yùn)送至礦倉(cāng)的倉(cāng)頂進(jìn)料口,短時(shí)貯存后經(jīng)過倉(cāng)底卸料，再由膠帶廊運(yùn)至磨選車間進(jìn)行加工。本工程位于我國(guó)某礦山，礦倉(cāng)內(nèi)徑12 m，地面標(biāo)高3.5 m，倉(cāng)底標(biāo)高8.5 m，倉(cāng)頂標(biāo)高24.5 m。倉(cāng)頂有高度6.7 m的圓形建筑。貯料為金礦石散料，松散密度1.65 t/m3，礦石粒度12 mm。該區(qū)地震烈度9度，場(chǎng)地類別按二類考慮[2]。礦倉(cāng)剖面如圖1所示。

圖1 礦倉(cāng)剖面

2 結(jié)構(gòu)選型

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)包含基礎(chǔ)、倉(cāng)下支承、漏斗、倉(cāng)壁、倉(cāng)頂和倉(cāng)上建筑等組成。

2.1 基礎(chǔ)

本工程地基持力層位于碎石土層，根據(jù)荷載情況及上部結(jié)構(gòu)綜合分析確定采用筏板基礎(chǔ)。在水平地震力作用下,筏板基礎(chǔ)與地基能較好地協(xié)同工作，改善整個(gè)體系的受力特性。

2.2 倉(cāng)下支承

筒倉(cāng)倉(cāng)下支承通常有:柱支承、筒壁支承、筒壁與內(nèi)柱共同支承等形式。圓筒型筒倉(cāng)重心較高，且貯料較重。震害研究表明:9度區(qū)，22%的柱承式筒倉(cāng)倒塌，這是因?yàn)橹^部位剛度發(fā)生突變，應(yīng)力集中所致，在9度區(qū)一般不選用柱承式筒倉(cāng)。在礦倉(cāng)的筒壁上設(shè)置膠帶廊通過的洞口，寬度3 m，在洞口兩側(cè)設(shè)置扶壁柱以增加筒壁的支承剛度，所以本礦倉(cāng)采用筒壁加壁柱支承形式。設(shè)計(jì)礦倉(cāng)時(shí)要考慮水平和豎向地震作用。作為倉(cāng)下支承的筒壁需要承受較大的軸向力、剪力和彎矩，且受力較為復(fù)雜。筒壁要配置雙層鋼筋。豎向和環(huán)向鋼筋的總配筋率均不宜小于0.4%，內(nèi)外層鋼筋設(shè)置拉筋，間距不宜大于500 mm。根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)規(guī)范》，直徑小于等于15 m的筒倉(cāng)，倉(cāng)壁壁厚t=Dn/100+100。礦倉(cāng)內(nèi)徑Dn=12 000 mm，t=12 000/100+100=220>200 mm。根據(jù)裂縫演算，最終確定倉(cāng)壁厚度400 mm。在筒壁與基礎(chǔ)或倉(cāng)壁（環(huán)梁）連接處的筒壁外側(cè)增加附加鋼筋，如圖2所示。

圖2 9度區(qū)附加鋼筋

筒壁上設(shè)有門及窗，門洞及窗洞寬度均應(yīng)大于1 m。洞口短邊大于1 m處，除應(yīng)計(jì)算洞口邊緣的應(yīng)力外，還需演算洞口角點(diǎn)的集中應(yīng)力。洞口集中應(yīng)力可采用洞口邊緣應(yīng)力的3～4倍。洞口四周應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)暗柱，暗柱每邊的配筋量不小于洞口切斷鋼筋面積的60%[3]。

2.3 倉(cāng)壁

倉(cāng)壁計(jì)算時(shí)，貯料荷載是主要荷載，圓形筒倉(cāng)的倉(cāng)壁為圓柱薄殼，倉(cāng)壁內(nèi)力可按照無(wú)彎矩理論的薄膜內(nèi)力計(jì)算。貯料荷載產(chǎn)生的水平壓力由水平鋼筋承擔(dān),豎向荷載產(chǎn)生的徑向力由豎向鋼筋承擔(dān)?？紤]邊緣效應(yīng)的影響，在倉(cāng)壁頂端和底端設(shè)置環(huán)梁，環(huán)梁寬度不小于250 mm。為方便倉(cāng)頂鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)置，取環(huán)梁寬度600 mm,環(huán)梁高度取0.1倉(cāng)內(nèi)徑，為1 200 mm。

2.4 倉(cāng)底和倉(cāng)頂

該礦倉(cāng)倉(cāng)底設(shè)置6個(gè)卸料口，倉(cāng)底井字梁填料漏斗由井字梁板和環(huán)梁構(gòu)成,其荷載傳遞比較合理，且方便施工。倉(cāng)頂設(shè)有進(jìn)料口，亦采用井字梁倉(cāng)頂。

2.5 倉(cāng)上建筑

震害研究表明,鋼結(jié)構(gòu)的倉(cāng)上建筑震害最輕，抗震性能好，即使9度區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)倉(cāng)上建筑也很少發(fā)生嚴(yán)重的破壞。礦倉(cāng)所在地區(qū)按照9度區(qū)考慮，倉(cāng)上建筑采用鋼柱、鋼屋架和輕質(zhì)圍護(hù)墻的鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝空間要求，采用圓形倉(cāng)上建筑。

3 荷載取值

貯料荷載是筒倉(cāng)的最重要荷載，也是筒倉(cāng)區(qū)別于其他建筑物的重要標(biāo)志。深倉(cāng)與淺倉(cāng)的貯料壓力的計(jì)算方式不同。根據(jù)規(guī)范:筒倉(cāng)內(nèi)的貯料計(jì)算高度hn，與圓形筒倉(cāng)內(nèi)徑Dn之比大于等于1.5為深倉(cāng)，小于1.5為淺倉(cāng)。該礦倉(cāng)hn=16 m，Dn=12 m,hn/ Dn=1.3<1.5，故按照淺倉(cāng)來(lái)計(jì)算貯料荷載。

4 計(jì)算模型

本工程采用筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SILO進(jìn)行計(jì)算，分別輸入帶壁柱的倉(cāng)下支承（帶有膠帶廊的輸入口）、筒壁局部開有門窗、帶有6個(gè)卸料口的漏斗結(jié)構(gòu)和倉(cāng)頂，得到計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

SILO軟件中輸入貯料的密度、內(nèi)摩擦角及摩擦系數(shù)等參數(shù)計(jì)算貯料荷載;根據(jù)設(shè)置地面粗糙度、體系系數(shù)和基本風(fēng)壓等參數(shù)計(jì)算風(fēng)荷載；取80%的貯料總重作為貯料有效質(zhì)量的代表值來(lái)計(jì)算，進(jìn)行有限元分析。SILO根據(jù)單工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)及工況組合情況計(jì)算配筋和裂縫。

5 結(jié)語(yǔ)

在滿足工藝要求的前提下，設(shè)計(jì)出安全經(jīng)濟(jì)合理的鋼筋混凝土礦倉(cāng)是設(shè)計(jì)師追求的目標(biāo)。礦倉(cāng)的受力十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮工藝設(shè)備條件的影響，筆者對(duì)礦倉(cāng)設(shè)計(jì)中問題進(jìn)行總結(jié)，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供參考。

[1]張緒耀,孫向遠(yuǎn).淺談冶金礦山鋼筋混凝土礦石倉(cāng)的施工[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(03).

[2]曹挺強(qiáng).湛江港柱支承筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的抗震分析[J].水運(yùn)工程, 1987(06).

[3]葉列平.鋼骨混凝土柱的設(shè)計(jì)方法[J].建筑結(jié)構(gòu),1997(5).