組合式筒倉(cāng)鋼骨架結(jié)構(gòu)選型研究

馬夢(mèng)云 唐敢 尹凌峰 莊紅

【摘 要】筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在糧食存儲(chǔ)方面發(fā)揮著重要作用。論文研究了一種受力性能合理高效而且能提供良好溫控性能的新型筒倉(cāng)，即超大型圓臺(tái)狀鋼—索—竹組合式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。對(duì)一個(gè)115英尺的圓形筒倉(cāng)，僅在儲(chǔ)料荷載下進(jìn)行模擬分析，通過(guò)參數(shù)化計(jì)算，對(duì)筒倉(cāng)鋼骨架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行初步選型與分析，從而得出此算例下相對(duì)比較合適的布置方式以及梁柱截面尺寸。研究結(jié)果表明：在本案例中，環(huán)梁間距宜控制在1～2m之間；立柱的截面尺寸與環(huán)梁的截面尺寸密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)不同的要求采取不同的布置方式。

【Abstract】The silo structure plays an important role in the grain storage. The paper studies a new type of silo that with reasonable and efficient mechanical performance and good temperature control performance， that is， super large round steel cable bamboo composite silo structure. A simulation analysis of a 115 foot circular silo under storage load is carried out. Preliminary selection and analysis of steel skeleton structure system of silos is carried out through parametric calculation， so as to get the relatively appropriate layout and beam column section size under this example. The results show that in this case， the spacing between girders should be controlled between 1～2m. The sectional dimension of column is closely related to the sectional dimension of ring beam， and different arrangement methods should be adopted according to different requirements.

【關(guān)鍵詞】鋼骨架結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)料荷載；參數(shù)化

【Keywords】steel skeleton structure system； storing load； parametric calculation

【中圖分類號(hào)】TU391，TU398+.9 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）10-0150-02

1 引言

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工等諸多領(lǐng)域中的散料儲(chǔ)存[1]。隨著糧食流通體制的不斷改革，具有中轉(zhuǎn)、存貯功能的筒倉(cāng)得到了更為深入的研究和應(yīng)用，特別是容量較大的筒倉(cāng)，大型化和超大型化是糧食筒倉(cāng)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外超大型筒倉(cāng)多為鋼筋混凝土倉(cāng)（高度可達(dá)到60多米）[3]。隨著鋼筒倉(cāng)的不斷發(fā)展，雖然出現(xiàn)了倉(cāng)容超過(guò)了10 萬(wàn)噸（直徑達(dá)到100m）的落地式鋼筒倉(cāng)，但大部分鋼筒倉(cāng)的倉(cāng)容小于1.6 萬(wàn)噸。由于儲(chǔ)糧荷載的大小與筒倉(cāng)高度直接相關(guān)[1]，因此鋼筒倉(cāng)倉(cāng)容的發(fā)展主要是采用增大直徑的方法，這顯然不利于節(jié)省使用土地。同時(shí)，目前鋼筒倉(cāng)的保溫設(shè)計(jì)大多數(shù)采用外涂保溫材料，雖然在能一定程度上起到保溫效果，但不能參與整體受力，且價(jià)格不菲[10]。怎樣協(xié)調(diào)鋼筒倉(cāng)保溫性及其經(jīng)濟(jì)性，是筒倉(cāng)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文研究的超大型圓臺(tái)狀鋼-索-竹組合式筒倉(cāng)主要是由環(huán)梁和立柱組成的鋼骨架、竹材倉(cāng)壁板、倉(cāng)頂、鋼索組成，示意圖如圖1。該筒倉(cāng)可通過(guò)調(diào)整自身的桿件布置、材料分布等方式很好地完成儲(chǔ)料荷載作用下的傳力路徑的自調(diào)節(jié)過(guò)程，同時(shí)通過(guò)“立體通風(fēng)+隔熱導(dǎo)溫”方式來(lái)達(dá)到溫度調(diào)控的目的。該新型筒倉(cāng)已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)[4]。

其中，筒倉(cāng)鋼骨架結(jié)構(gòu)除了可以很好地約束筒倉(cāng)整體和竹材倉(cāng)壁板的變形外，還為竹材倉(cāng)壁板提供邊框[5]。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)主要受儲(chǔ)料荷載的作用，而且一般作用時(shí)間比較長(zhǎng)[6]；同時(shí)考慮圓臺(tái)狀倉(cāng)壁傾角較小且對(duì)網(wǎng)格劃分無(wú)太大影響，因此本文對(duì)圓形筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)料荷載作用下的有限元模擬，通過(guò)參數(shù)計(jì)算，對(duì)鋼骨架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行初步選擇和分析，得到合理的網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格尺寸和桿件截面。

2 有限元模型建立

本文以115英尺的圓形筒倉(cāng)為算例進(jìn)行鋼骨架結(jié)構(gòu)的選型分析，筒倉(cāng)直徑D=35.052m，高H=32m。

按筒倉(cāng)分類，本文筒倉(cāng)為淺倉(cāng)，儲(chǔ)料荷載的計(jì)算方法見(jiàn)《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]。對(duì)鋼骨架施加儲(chǔ)料荷載的方式為：將筒倉(cāng)不同高度處竹材倉(cāng)壁板的受力簡(jiǎn)化為點(diǎn)荷載施加在對(duì)應(yīng)高度處環(huán)梁節(jié)點(diǎn)上。本筒倉(cāng)主要用于儲(chǔ)存糧食，按大豆計(jì)算，其容重γ=7.5kNm3，大豆與竹板的摩擦系數(shù)為0.2。

3 鋼骨架的布置方式

3.1 環(huán)梁布置方式

本節(jié)對(duì)環(huán)梁布置的方式進(jìn)行了一定的初步調(diào)查和研究，主要將他們分成了兩大類，①環(huán)梁沿全高均勻分布，間距分別為4m、2m、1m；②底部局部加密0～16m間距2m，16～32m間距4m；0～16m間距1m，16～32m間距2m。共建立五個(gè)基本計(jì)算模型，僅僅對(duì)儲(chǔ)料荷載下的筒倉(cāng)強(qiáng)度這一問(wèn)題進(jìn)行了分析，通過(guò)進(jìn)行調(diào)整每一道環(huán)梁截面的尺寸，并將其環(huán)向最大應(yīng)力比例盡量控制在0.8～0.85之間，從而得出了不同計(jì)算模型的總用鋼量分別為159t、171t、173t、173t、177t。

可知：考慮竹板的承載力及尺寸問(wèn)題，環(huán)梁間距宜控制在1～2m之間；環(huán)梁間距對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼量影響不大。

3.2 立柱布置方式

在倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件的在允許應(yīng)力范圍以內(nèi)的情況之下，環(huán)梁是按3.1節(jié)較優(yōu)布置，對(duì)立柱按不同的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。對(duì)倉(cāng)壁板來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)料產(chǎn)生的法向側(cè)壓力是對(duì)稱分布的，因此不考慮其穩(wěn)定問(wèn)題，僅將立柱作為壓彎構(gòu)件考慮其強(qiáng)度問(wèn)題。立柱考慮采用變截面H型鋼。得到在此模型下立柱布置為48根較節(jié)省。

3.3 梁柱整體布置方式

本節(jié)在2、3節(jié)布置方案粗略的計(jì)算分析上，選擇48根立柱進(jìn)一步優(yōu)化：

優(yōu)化方案一：0～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

優(yōu)化方案二：1.5～7.5m內(nèi)環(huán)梁間距1m；7.5～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

對(duì)兩種優(yōu)化方案下計(jì)算模型按3.1節(jié)中方法進(jìn)行有限元計(jì)算分析，不同標(biāo)高處環(huán)梁與立柱的截面尺寸及其最大應(yīng)力比。

可知：兩個(gè)方案的總用鋼量基本相同，用鋼量的不同主要在筒倉(cāng)底部處；優(yōu)化方案一中筒倉(cāng)節(jié)點(diǎn)徑向位移比優(yōu)化方案二大，但是相差不多，方案一的最大值為20.439mm、方案二的為20.131mm；優(yōu)化方案一的桿件數(shù)少于優(yōu)化方案二；綜合考慮，方案一為該算例下鋼骨架結(jié)構(gòu)較優(yōu)布置方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了超大型鋼-索-竹組合式筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)儲(chǔ)料荷載下圓形筒倉(cāng)鋼骨架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了有限元模擬分析，建立了多個(gè)模型，得到了算例筒倉(cāng)鋼骨架結(jié)構(gòu)的較優(yōu)選型，主要結(jié)論如下：①環(huán)梁的布置方式：1～2m為環(huán)梁較適宜間距；考慮到環(huán)梁與立柱連接方式，可通過(guò)局部加密的方法來(lái)減小環(huán)梁截面的尺寸。②立柱的布置方式：立柱布置方式改變對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大，可根據(jù)實(shí)際要求改變柱的布置方式以適應(yīng)環(huán)梁截面尺寸。③此算例下較優(yōu)布置方式為：0～16m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m、16～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m，立柱沿環(huán)向均勻布置48根（方案一），因?yàn)榇藭r(shí)立柱和環(huán)梁總用鋼量較小，桿件數(shù)較小，節(jié)點(diǎn)徑向位移較小。

【參考文獻(xiàn)】

【1】中華人民共和國(guó)建設(shè)部.糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50322-2011 [S].

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【6】Nateghi F， Yakhchalian M. Seismic Behavior of Reinforced Concrete Silos Considering Granular Material-Structure Interaction[J]. Procedia Engineering， 2011（14）：3050-3058.