筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)淺析

文/楊寧佳 天地科技股份有限公司 北京 100013

1、鋼筋混凝土筒倉(cāng)的基本概況

筒倉(cāng)是一種用來(lái)儲(chǔ)存礦石、谷物糧食、水泥砂石等散料的倉(cāng)儲(chǔ)構(gòu)筑物，是生產(chǎn)企業(yè)用來(lái)調(diào)節(jié)與貯存用料的一種附屬設(shè)施。筒倉(cāng)按照制作材料可以分為鋼筋混凝土筒倉(cāng)、鋼筒倉(cāng)和磚石筒倉(cāng)等幾類(lèi)。從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性等各方面綜合考慮，鋼筋混凝土筒倉(cāng)是我們運(yùn)用較為廣泛的一種。

鋼筋混凝土筒可以根據(jù)制作方法的不同分為預(yù)制裝配式筒倉(cāng)、整體澆注式筒倉(cāng)、預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力筒倉(cāng)等種類(lèi)，在這些筒倉(cāng)中整體澆注的鋼筋混凝土筒倉(cāng)具備較大的優(yōu)勢(shì)。由于筒倉(cāng)多貯存散狀的物料，而且存儲(chǔ)的量較大，在地震頻發(fā)的年代，其安全問(wèn)題就值得我們重點(diǎn)關(guān)注。為了確保物料的儲(chǔ)存安全，我們一定要設(shè)計(jì)出安全系數(shù)高、可靠性強(qiáng)的筒倉(cāng)。

鋼筋混凝土筒倉(cāng)具備較高的地震承載力，因?yàn)槠渲拥慕孛孑^小、抗剪承載力較高、密實(shí)性較好等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)生地震不會(huì)引起較大的地震反應(yīng)和局部失穩(wěn)現(xiàn)象，本身具備較強(qiáng)的抗震能力，在具體的設(shè)計(jì)中，我們還可以通過(guò)對(duì)支承系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)布置、選型等方面的設(shè)計(jì)提高其抗震能力。

2、筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)選型

2.1 倉(cāng)上建筑物

存在倉(cāng)頂上方的建筑物，通常有單層或者多層廠房，并不只有送料設(shè)備以及除塵設(shè)備等；

2.2 倉(cāng)頂

鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)直徑小于15m時(shí)，通常采用梁板結(jié)構(gòu)作為倉(cāng)頂，而當(dāng)直徑超過(guò)15m時(shí)，則通常采用鋼筋混凝土正截錐殼以及正截球殼等形式作為倉(cāng)頂；

2.3 倉(cāng)壁

倉(cāng)壁需要根據(jù)筒倉(cāng)的高度、直徑等因素，保證能夠承受貯料的水平壓力；

2.4 倉(cāng)底

倉(cāng)底需要承受貯料的垂直壓力，因此需要綜合考慮一下幾點(diǎn)：卸料暢通；荷載傳遞明確，結(jié)構(gòu)受力合理；造型簡(jiǎn)單；填料較少。

2.5 倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)

倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)對(duì)筒倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定會(huì)會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)在選型時(shí)，需要充分考慮筒倉(cāng)的自重、可能的貯料重量以及多種力的作用。

2.6 基礎(chǔ)

獨(dú)立筒倉(cāng)通常采用擴(kuò)展基礎(chǔ)、環(huán)板基礎(chǔ)、圓形板基礎(chǔ)、殼體基礎(chǔ)等形式；當(dāng)筒倉(cāng)對(duì)基礎(chǔ)的載荷要求較高時(shí)，通常會(huì)采用樁基礎(chǔ)來(lái)提升土體的承載能力。

3、筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 倉(cāng)下支承體系設(shè)計(jì)

倉(cāng)下支承體系的布置，需要根據(jù)專(zhuān)業(yè)工藝所要求的運(yùn)輸方式、漏斗數(shù)量以及斗口之間的距離來(lái)確定，通常有筒壁支承、柱子支承、筒壁與內(nèi)柱共同支承等結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)筒倉(cāng)直徑小于12m時(shí)，倉(cāng)下運(yùn)輸方式通常選擇膠帶機(jī)輸送或者汽車(chē)裝車(chē)，漏斗的個(gè)數(shù)一般為1到2個(gè)，倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)可以選擇筒壁支承或者筒壁與內(nèi)柱共同支承的形式。當(dāng)筒的直徑在15m以上時(shí)，倉(cāng)下的運(yùn)輸方式通常采用膠帶機(jī)輸送、汽車(chē)裝車(chē)或者火車(chē)裝車(chē)等方式，一半會(huì)設(shè)置4個(gè)以上漏斗，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要先布置漏斗層結(jié)構(gòu)，并結(jié)合具體的運(yùn)輸方式確定支承結(jié)構(gòu)的具體位置，倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)通常采用筒壁與內(nèi)柱共同支承或者筒壁與剪力墻共同支承的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定倉(cāng)壁的厚度，倉(cāng)壁的厚度一般采用等厚截面，可以根據(jù)GB 50077-2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)規(guī)范》中的公式 進(jìn)行確定同時(shí)需要滿(mǎn)足裂縫寬度的驗(yàn)算，倉(cāng)壁要求裂縫寬度在0.2mm以?xún)?nèi)。

倉(cāng)壁的強(qiáng)度計(jì)算需要以正常使用時(shí)的極限狀態(tài)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要計(jì)算貯料對(duì)倉(cāng)壁的水平壓力以及豎向壓力，從而確定倉(cāng)壁環(huán)向及豎向的配筋。距離貯料頂端下方S深處的倉(cāng)壁上單位面積的水平壓力PH及豎向壓力PV可以根據(jù)GB 50077-2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

水平壓力需要進(jìn)行換算，將該力換算為作用在倉(cāng)壁上的環(huán)向拉力F=PHR，作用在倉(cāng)壁上的總的豎向壓力N還需要加上倉(cāng)上建筑物對(duì)倉(cāng)壁的豎向壓力PG，即為N=PV+PG。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，距離貯料頂面的深度S，通常選擇5m的倍數(shù)進(jìn)行取值，一般為5m，10m，15m，…，直至漏斗頂面處的不同深度區(qū)間，然后計(jì)算出不同深度倉(cāng)壁上的環(huán)向拉力以及豎向壓力，并選擇寬度為1m的倉(cāng)壁分別按照受拉構(gòu)件以及受壓構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算以及裂縫寬度的驗(yàn)算，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分段配筋。

4、鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)布置與抗震設(shè)計(jì)分析

4.1 布置抗震性強(qiáng)的筒倉(cāng)外部結(jié)構(gòu)

筒倉(cāng)體積一般都比較大，因此一定要注重筒倉(cāng)與筒倉(cāng)，與相鄰的建筑物的結(jié)構(gòu)布局。如果筒倉(cāng)與筒倉(cāng)之間的平面和立面變化都比較大，而剛度有較大的懸殊，一定要設(shè)置防震縫；在筒倉(cāng)和鄰近的建筑物及其附屬建筑物之間都應(yīng)該設(shè)置防震縫。

4.2 筒倉(cāng)的倉(cāng)頂?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)

倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土的梁板結(jié)構(gòu)，如果筒倉(cāng)的直徑過(guò)大，或者筒倉(cāng)較淺，則可以考慮采用鋼筋混凝土的整體、裝配整體的正截錐殼、正截球殼以及具備整體穩(wěn)定系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)殼體或者網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，倉(cāng)頂與筒倉(cāng)壁的連接體系則應(yīng)該采用靜定體系。

4.3 筒倉(cāng)其他部位的抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于那些支承在筒倉(cāng)頂部的通廊、棧橋以及其他細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)都應(yīng)該采用簡(jiǎn)支的方式與相應(yīng)部位進(jìn)行連接。一些倉(cāng)上的建筑物也應(yīng)該一個(gè)按照抗震要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。其承重結(jié)構(gòu)也應(yīng)該采用鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)，鋼管結(jié)構(gòu)或與筒倉(cāng)壁厚度相似的圓形壁到頂，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)則多采用一些輕質(zhì)材料。

4.4 準(zhǔn)確計(jì)算地震荷載

我們對(duì)筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況選用單質(zhì)點(diǎn)體系或者多質(zhì)點(diǎn)體系，再按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出筒倉(cāng)質(zhì)量、柱頂位移、結(jié)構(gòu)底部的剪力等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出筒倉(cāng)頂部建筑與筒倉(cāng)重心處的水平地震荷載，并且應(yīng)該考慮到邊端效應(yīng)而適當(dāng)放大載荷。

結(jié)語(yǔ)：

鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)的合理性直接關(guān)系到倉(cāng)體結(jié)構(gòu)能否安全、可靠的使用。目前的大部分筒倉(cāng)倉(cāng)體破裂及倒塌事故，通常是由于設(shè)計(jì)載荷考慮不足所導(dǎo)致的。對(duì)此，需要保證筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，尤其需要對(duì)支承結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算，從而保證筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)使用的穩(wěn)定性和安全性。