外包鋼板地下散裝糧倉倉壁構(gòu)造及受力分析

張會軍，劉海燕，丁永剛

(1.河南金地集團(tuán)祥運(yùn)置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450047；2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

現(xiàn)有的地下糧倉由于其結(jié)構(gòu)特點對地理位置的依賴程度較高，限制了其在全國范圍內(nèi)的應(yīng)用。推廣與建設(shè)地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉是我國糧倉建設(shè)的一個潛在的發(fā)展方向，是眾多糧倉倉型的重要補(bǔ)充，既能夠?qū)崿F(xiàn)糧食的安全儲藏要求、保障食品安全，又能夠減少糧食儲藏過程中能源消耗、減少環(huán)境污染，符合國家綠色發(fā)展要求。

在地下糧倉設(shè)計與建設(shè)中，最為突出的問題則是如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效防水要求，該問題的解決與否直接關(guān)系到項目建設(shè)的成敗。由于受施工工藝與施工方施工水平的限制，純粹采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往會造成結(jié)構(gòu)滲漏等問題。因此，在地下糧食圓形散裝糧倉的設(shè)計與建設(shè)中引入外包鋼板技術(shù)，可以有效解決地下糧倉的防水問題。

本研究采用ABAQUS有限元軟件對地下圓形散裝糧倉受力進(jìn)行分析，該研究基于目前正在建設(shè)的地下糧倉，其基本情況為：倉容為3 500 t，內(nèi)徑為25 m，倉外壁高度為8.76 m，壁厚為350 mm；倉頂蓋采用梁板結(jié)構(gòu)，頂板厚度為160 mm，坡度為5%，頂部覆土最厚處為1.5 m；倉體中間設(shè)置有內(nèi)徑為1.6 m、壁厚為200 mm的中間支撐結(jié)構(gòu)，用于安裝進(jìn)出糧設(shè)備；底板采用倒錐殼結(jié)構(gòu)，厚度為500 mm，見圖 1。

圖1 地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉示意圖

1 外包鋼板地下倉倉壁構(gòu)造方案選取

鋼板—混凝土組合技術(shù)是在經(jīng)典的鋼筋混凝土組合基礎(chǔ)梁上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式。最初，鋼板—混凝土組合技術(shù)較多地應(yīng)用于構(gòu)建組合梁等小型構(gòu)件，或者應(yīng)用于對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，解決混凝土構(gòu)件容易開裂和裂縫外露的問題[1]，隨著鋼板—混凝土組合技術(shù)近些年的不斷發(fā)展，該技術(shù)開始在剪力墻等結(jié)構(gòu)中采用。

1.1 結(jié)構(gòu)組合形式的選取

根據(jù)國內(nèi)外研究成果分析可知，目前采用的外包鋼板組合技術(shù)有鋼板—混凝土栓釘錨固和鋼板—混凝土粘貼技術(shù)。

采用鋼板—混凝土栓釘錨固技術(shù)，其優(yōu)點是構(gòu)造方法簡單、施工容易，加固鋼板可以作為澆筑混凝土的模板，既節(jié)省材料又可加快施工進(jìn)度，由于鋼板包在混凝土的外側(cè)，很好地解決了裂縫外漏的問題，不足之處則是鋼板與澆筑的混凝土之間容易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。鋼板—混凝土粘貼技術(shù)則是采用膠粘劑把鋼板與混凝土粘結(jié)在一起，該技術(shù)的優(yōu)點為粘結(jié)劑能夠?qū)摪迮c混凝土粘結(jié)為整體，較好地發(fā)揮受力性能，缺點是粘結(jié)劑的質(zhì)量好壞會影響到外包鋼板與混凝土的結(jié)合程度，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)對荷載的承載能力。隨著時間的增加粘結(jié)面的加固效果還不可預(yù)知。

圖3 地下倉滿倉時的受力情況

地下圓形糧倉倉壁在空倉和滿倉時受力情況分別見圖2與圖3，根據(jù)倉壁在空倉和滿倉不同工況下受反復(fù)不同方向荷載的受力情況，若采用粘貼鋼板技術(shù)，隨著時間的延長容易造成鋼板與混凝土的剝離，不利于結(jié)構(gòu)的整體受力，為了地下倉能夠?qū)崿F(xiàn)50年使用期限內(nèi)不滲水、不漏水的目標(biāo)，最終選擇在鋼板內(nèi)側(cè)焊接栓釘然后澆注混凝土的方法對地下倉進(jìn)行外包鋼板的技術(shù)改進(jìn)。

1.2 倉壁混凝土及鋼板厚度選取分析

對采用外包鋼板的地下倉進(jìn)行計算分析時在2種最不利情況下進(jìn)行受力計算。(1)倉壁只受水土壓力(空倉)，以混凝土受壓為主；(2)倉壁承受糧食側(cè)壓力(滿倉)，此情況下以與土層脫離或因其他原因造成倉壁外露為最不利，以鋼板受拉為主。

1.2.1 受水土壓力情況下的倉壁計算分析

倉壁的厚度選取[45，2]：

Np=3 325kN<0.9φfcA=0.9×1.0×19.1×1 000×d，則d>193.4

所以倉壁的選取厚度為200 mm。

1.2.2. 受糧食側(cè)壓力情況下的倉壁計算分析

鋼板的厚度選?。?/p>

Np=155kN0.72

所以倉壁的選取厚度為1 mm。

2 基于ABAQUS的地下倉倉壁有限元分析

2.1 基于ABAQUS有限元軟件的地下圓形糧倉倉壁建模

2.1.1 ABAQUS有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件，根據(jù)研究對象的實際情況對2種形式地下倉的倉壁建立有限元模型。

創(chuàng)建部件。一般的有限元模型分混凝土部件和鋼筋部件分別進(jìn)行創(chuàng)建。在本文創(chuàng)建部件的時候為了避免結(jié)構(gòu)在計算時由于2種材料的彈性模量不同導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差，所以對材料的彈性模量進(jìn)行換算即只需要創(chuàng)建混凝土部件，在賦予材料屬性的時候使用折算后的彈性模量即可。

創(chuàng)建材料和截面屬性。根據(jù)第一步創(chuàng)建的部件，分別確定其本構(gòu)關(guān)系、建立本構(gòu)模型。創(chuàng)建截面屬性，給部件賦予截面屬性。

定義裝配件。把已經(jīng)賦予截面屬性的部件進(jìn)行裝配，這樣就建成了地下倉倉壁的ABAQUS有限元模型。原地下倉倉壁的有限元模型和采用外包鋼板技術(shù)的地下倉倉壁的有限元模型分別如圖 4、圖 5所示。

圖4 原地下倉倉壁的有限元模型

圖5 外包鋼板地下倉倉壁的有限元模型

2.1.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

混凝土 混凝土作為一種由水泥、粗細(xì)骨料和水組成的混合材料，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜[3]。在荷載作用下，混凝土材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的各向異性和非線性[4]。本文分析參照規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中所采用的應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系式為：

式中：σc為混凝土應(yīng)變?yōu)闀r的混凝土壓應(yīng)力；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；ε0為混凝土壓應(yīng)力達(dá)到時的壓應(yīng)變；εcu為正截面混凝土極限壓應(yīng)變；n為系數(shù)，當(dāng)n>2時，取n=2；fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

鋼筋和外包鋼板 由于地下倉主要承受的為外部的水土壓力，即鋼筋和鋼板以受壓為主，所以受壓鋼筋和鋼板采用雙線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系[5]，如圖6。

地下倉整體結(jié)構(gòu)采用的是鋼筋混凝土材料。根據(jù)實際工程的情況，該倉混凝土采用的是C40，其彈性模量為3.25×1 010 Pa；鋼筋采用的是HRB400，其彈性模量為2×1 011 Pa。為了避免結(jié)構(gòu)在計算時由于2種材料的彈性模量不同導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差，所以對材料的彈性模量進(jìn)行換算。其換算公式為：

圖6 受壓筋和鋼板的彈塑性本構(gòu)關(guān)系

E=EC×(1-ρ)+ES×ρ

式中，E為鋼筋混凝土的等效彈性模量；Ec為混凝土的彈性模量；Es為鋼筋的彈性模量；ρ為構(gòu)件的配筋率。

原地下倉倉壁的材料相關(guān)參數(shù)特性見表 1。

表1 地下倉材料相關(guān)參數(shù)特性

外包鋼板地下倉倉壁的材料相關(guān)參數(shù)特性見表2。

表2 外包鋼板地下倉材料相關(guān)參數(shù)特性

2.1.3 邊界條件

地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉根據(jù)實際工程情況，整個倉體深埋于地下，即沿X、Y、Z方向的位移和轉(zhuǎn)動都得到了限制。所以根據(jù)實際工程情況，對所建立的有限元模型處理為上、下2端的邊界約束條件，如所示圖7。

圖7 地下倉倉壁邊界條件加載情況

2.1.4 荷載施加

以地下倉為研究對象，取其最不利的情況為研究對象。分為2個工況，工況1：荷載施加時以空倉為研究對象，倉壁以受壓為主；工況2：以滿倉為研究對象，倉壁以受拉為主。所施加的荷載包括：倉頂恒荷載(覆土壓力)、倉頂活荷載(進(jìn)出糧設(shè)備)、倉壁側(cè)向荷載(水土壓力和糧食側(cè)壓力)、倉底荷載(水壓力)。

倉頂恒荷載 倉頂恒荷載即倉頂所承受的覆土壓力，該地下倉頂部覆土計算厚度為1.5 m，地下水位線為地下1 m，所以水位線以下的0.5 m覆土取其浮重度。倉頂恒荷載取值為30 kN/m2。

倉頂活荷載 倉頂活荷載主要考慮的是進(jìn)出糧設(shè)備，其取值為4.0 kN/m2。

倉壁側(cè)向荷載 分別以空倉和滿倉為研究對象，所以倉壁側(cè)壓力為外側(cè)所受的水土壓力和糧食側(cè)壓力，施加荷載的時候以水土壓力的合算值和糧食側(cè)壓力值進(jìn)行施加。

倉底荷載 該地下倉所處的地下土質(zhì)為粉砂層，土層顆粒直徑范圍為0.6～12.1 mm，屬于無黏性土，顆粒與顆粒之間在飽和狀態(tài)下除受重力外不存在其他形式的作用力。因此對于處在飽和無黏性土中的地下倉來說，倉底所受的荷載只考慮水壓力。底板結(jié)構(gòu)在空倉存在上浮趨勢時最為不利，此時對其所受水壓力(浮力)按均布考慮。

2.1.5 劃分網(wǎng)格

在ABAQUS軟件中完成建模、定義裝配后才進(jìn)行布種子、劃分網(wǎng)格。首先對模型進(jìn)行總體布置種子，沿全局坐標(biāo)系中的Y 軸方向(即豎向)將整個倉壁劃分為80份。在總體布種完成后，利用分割工具對倉體進(jìn)行豎向劃分，然后用對邊布置種子的命令對倉體進(jìn)行環(huán)向劃分，其中對倉壁劃分為15份。原地下倉倉壁的單元劃分網(wǎng)格以及采用外包鋼板技術(shù)的地下倉倉壁的單元劃分網(wǎng)格分別如圖8、圖9所示。

圖8 原地下倉倉壁單元劃分網(wǎng)格

圖9 外包鋼板地下倉倉壁單元劃分網(wǎng)格

2.2 外包鋼板地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉的倉壁有限元分析

2.2.1 地下倉空倉情況下有限元分析

對地下倉為空倉即倉壁只受外側(cè)水土壓力的時候，對2種形式的地下倉分別進(jìn)行有限元模擬分析并進(jìn)行對比，分析結(jié)果在后處理模式中以圖形的形式輸出。倉壁結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果如圖10、圖11、圖12及圖13所示。

由圖 10、圖 11、圖 12及圖 13可知在只受水土壓力的情況下，倉壁受壓。由圖 10、圖 11可知紅色區(qū)域為應(yīng)力最大值處，2種倉型均比較集中于倉壁的下部，采用外包鋼板技術(shù)的地下倉應(yīng)力最大值處比原地下倉位置略靠下。水土壓力對倉壁所產(chǎn)生的位移變化如圖 12、圖 13所示。原地下倉的位移變化集中在倉壁中部，最大位移為21.2 mm；采用外包鋼板技術(shù)的地下倉的位移變化集中在倉壁的底部，最大位移為5.47 mm，采用外包鋼板技術(shù)的地下倉位移為原地下倉位移的25.80%。

圖10 原地下倉倉壁應(yīng)力云圖(空倉)

圖11 外包鋼板地下倉倉壁應(yīng)力云圖(空倉)

圖12 原地下倉倉壁位移云圖(空倉)

圖13 外包鋼板地下倉倉壁位移云圖(空倉)

2.2.2 地下倉滿倉情況下有限元分析

對地下倉為滿倉的時候此時考慮倉壁外露只承受內(nèi)側(cè)的糧食側(cè)壓力，對2種形式的地下倉分別進(jìn)行有限元模擬分析并進(jìn)行對比，分析結(jié)果在后處理模式中以圖形的形式輸出。倉壁結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果如圖 14、圖 15、圖 16及圖 17所示。

圖14 原地下倉倉壁應(yīng)力云圖(滿倉)

圖15 外包鋼板地下倉倉壁應(yīng)力云圖(滿倉)

圖16 原地下倉倉壁位移云圖(滿倉)

圖17 外包鋼板地下倉倉壁位移云圖(滿倉)

由圖14、圖15、圖16及圖17可知在只受糧食側(cè)壓力的情況下，倉壁受拉。由4張圖的對比可知原地下倉的變形依然集中在倉壁的中間部位，而采用外包鋼板技術(shù)的地下倉則依然集中在倉壁的底部。由圖14、圖15可知最大應(yīng)力處即標(biāo)注區(qū)域，2種倉型都集中在倉壁的底部，但采用外包鋼板的地下倉的最大應(yīng)力區(qū)域比較多。由圖16、圖17可知原地下倉的最大位移變形為0.99 mm，采用外包鋼板技術(shù)的地下倉的最大位移變形為0.141 1 mm，采用外包鋼板技術(shù)的地下倉位移為原地下倉位移的14.25%。

通過對比可知無論在水土壓力作用下還是在糧食側(cè)壓力作用下采用外包鋼板技術(shù)的地下倉產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形明顯小于原地下倉產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。

3 外包鋼板地下倉倉壁的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 原倉材料用量計算

材料用量仍在建糧倉的基礎(chǔ)上分析，原混凝土倉如圖1，經(jīng)計算，原鋼筋混凝土倉壁鋼筋用量。

豎向鋼筋，鋼筋長度：l1=4.32-0.035+0.15+1.2×0.012=4.449 4 m

鋼筋重量：w1=2×0.006 17×524×4.449 4×122=4 142.96 kg

環(huán)向鋼筋，鋼筋長度：l2=2×3.14×12.535+2×3.14×(12.5+0.3-0.05)=158.789 8 m

鋼筋重量：w2=0.006 17×21×158.789 8×122=2 962.71 kg

豎向鋼筋，鋼筋長度：l3=5.5-0.035+0.15+1.2×0.014=5.631 8 m

鋼筋重量：w3=2×0.006 17×524×5.631 8×142=7 137.56 kg

環(huán)向鋼筋，鋼筋長度：l4=2×3.14×12.535+2×3.14×(12.5+0.3-0.05) =158.789 8 m

鋼筋重量：w4=0.006 17×41×158.789 8×142=7 873.13 kg

則鋼筋的總重量：w=22 116.36 kg。

混凝土用量為：

V=2×3.14×12.5×0.3×5+0.25×3.76=191.54 m3

3.2 外包鋼板地下倉材料用量計算

經(jīng)計算，外包鋼板地下倉的倉壁鋼板用量：

w=2×3.14×7 850×0.001×12.7×8.76=5 484.50 kg

外包鋼板地下倉的倉壁混凝土用量：

V=2×3.14×12.5×8.76×0.2=137.53 m3在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析時主要考慮混凝土和鋼板(鋼筋)用量這2個指標(biāo)，求得外包鋼板地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉與原地下糧倉的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比分析如表 4所示。

表4 外包鋼板地下倉與原地下倉經(jīng)濟(jì)分析對照表

注：鋼板用量未考慮栓釘用鋼量。

通過對外包鋼板地下倉的計算分析可知，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠的前提下采用外包鋼板技術(shù)的地下倉無論是混凝土用量還是鋼材用量均低于原地下倉的用量。即采用新形式的地下倉不但受力合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，而且對材料的消耗更低、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更加合理。由此可知采用外包鋼板技術(shù)的地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉具有可行性。

4 結(jié)論

對采用新技術(shù)的地下倉倉壁展開研究，從技術(shù)的可行性以及經(jīng)濟(jì)的合理性進(jìn)行論證；再利用ABAQUS有限元軟件對2種倉型的倉壁進(jìn)行模擬分析，通過應(yīng)力、應(yīng)變的對比分析從結(jié)構(gòu)的合理、可靠來論證新技術(shù)引入的可行性。通過研究得到如下主要結(jié)論。

通過采用ABAQUS有限元軟件分析可知，空倉時采用外包鋼板技術(shù)的地下倉形變?yōu)樵炷恋叵录Z倉的25.8%，滿倉時采用外包鋼板技術(shù)的地下倉形變?yōu)樵炷恋叵录Z倉的14.25%，可知，無論在何種工況下，采用外包鋼板技術(shù)改善地下倉防水的同時，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定合理。

通過對采用外包鋼板技術(shù)的倉型和原地下倉倉型用混凝土用量和鋼材用量2個指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析對比，可知采用外包鋼板技術(shù)，與原鋼筋混凝土倉相比，混凝土用量節(jié)省28.19%，鋼材用量節(jié)省75.20%，采用外包鋼板技術(shù)的地下鋼筋混凝土圓形散裝糧倉更加經(jīng)濟(jì)合理。

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