兩種典型糧食鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)倉(cāng)頂形式設(shè)計(jì)探討

◎ 向 毅，王 準(zhǔn)，楊方德，李 濤，游 赟

（1.中儲(chǔ)糧成都儲(chǔ)藏研究院有限公司，四川 成都 610000；2.鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

糧食鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)是指高徑比≤1.5的鋼筋混凝土筒倉(cāng)，其因倉(cāng)容大、氣密性好、占地小、機(jī)械化程度高及經(jīng)濟(jì)性好而廣泛應(yīng)用于糧食行業(yè)[1]。糧食鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)形式常見有正截圓錐殼結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱錐頂）、穹頂結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)形式均有傳力路線明確、承載力高、外形美觀及經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。在外荷載下處于空間受力狀態(tài)，剛度大、抵抗外荷載能力強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良。在均布對(duì)稱荷載作用下，內(nèi)力以壓應(yīng)力為主，彎矩和扭矩都很小，能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)。現(xiàn)以成都市溫江區(qū)低溫庫(kù)改擴(kuò)建項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況

成都市溫江區(qū)低溫庫(kù)改擴(kuò)建項(xiàng)目位于成都市溫江區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度0.1 g，第三組。建設(shè)2個(gè)直徑20 m的淺圓倉(cāng)，裝糧高度23.75 m，檐口高度26.50 m，倉(cāng)頂高度4 m。根據(jù)工藝給定的條件，擬定兩種倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)方案，方案一為錐殼結(jié)構(gòu)，板厚度200 mm，倉(cāng)頂與水平面的夾角25.2°；方案二為穹頂結(jié)構(gòu)頂，板厚200 mm。從結(jié)構(gòu)受力、施工、工程造價(jià)和使用便捷4個(gè)方面對(duì)兩種倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。

2 結(jié)構(gòu)受力

利用結(jié)構(gòu)有限元程序Midas Gen建模分析。結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 錐頂結(jié)構(gòu)圖

圖2 穹頂結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)載荷的計(jì)算公式為：

式中，wk-風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值；βz-高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs-風(fēng)載荷體形系數(shù)；μz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0-基本風(fēng)壓。

本項(xiàng)目中，βz、μz、w0均相同，只需比較μs。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[2]表8.3.1第36項(xiàng)旋轉(zhuǎn)殼頂，按式（2）、式（3）計(jì)算，結(jié)果如表1、表2。

式中，f-矢高，l-跨度，φ-仰角。

表1 錐頂結(jié)構(gòu)μs表

表2 穹頂結(jié)構(gòu)μs表

綜合分析可知，錐頂和穹頂均受風(fēng)吸作用，在相同位置，穹頂結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載作用均小于或等于錐頂結(jié)構(gòu)。穹頂結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載作用更強(qiáng)，更適于在臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)高發(fā)地區(qū)修建。

2.2 地震作用

采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，選取前5階振型比較位移。結(jié)果見表3。

經(jīng)過各階振型的位移計(jì)算，穹頂結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移小于錐頂。從各階振型的位移云圖（圖3～圖7）可知，穹頂結(jié)構(gòu)的變形更加均勻，受力性能更優(yōu)。

表3 各階振型位移比較表（單位：mm）

圖3 第1階振型位移云圖

圖4 第2階振型位移云圖

圖5 第3階振型位移云圖

圖6 第4階振型位移云圖

圖7 第5階振型圖位移云圖

2.3 倉(cāng)頂均布活荷載

按上人屋面，倉(cāng)頂活荷載為2 kN·m-2，比較同一工況下的兩種倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)在A、B、C、D、E點(diǎn)的變形和內(nèi)力。

在同一工況下，兩種倉(cāng)頂形式的位移如圖8、圖9所示，差值見表4。

圖8 錐頂位移圖（單位：mm）

圖9 穹頂位移圖（單位：mm）

從表4可以看出，在A點(diǎn)處兩者位移非常接近，但在其余部位，錐頂結(jié)構(gòu)的豎向變形均大于穹頂結(jié)構(gòu)；穹頂結(jié)構(gòu)的變形非常均勻，而錐頂結(jié)構(gòu)的變化較大。

表4 兩種倉(cāng)頂位移比較表（單位：mm）

同一工況下，兩種倉(cāng)頂形式的環(huán)向力如表5。從表5可以看出，錐頂結(jié)構(gòu)在支座位置處（A點(diǎn)、C點(diǎn)）內(nèi)力大，在跨中位置處（B點(diǎn)）內(nèi)力小，兩者的絕對(duì)值差值為25.6 kN。穹頂結(jié)構(gòu)在支座位置和跨中位置的絕對(duì)值差值7.5 kN。比較得知，穹頂結(jié)構(gòu)受力均勻，空間性更好。從兩種形式的倉(cāng)頂對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)力差值來比較，除中點(diǎn)（B點(diǎn)）外，錐頂結(jié)構(gòu)均大于穹頂結(jié)構(gòu)。

表5 兩種倉(cāng)頂環(huán)向力比較表（單位：kN）

在同一工況下，比較兩種倉(cāng)頂形式的徑向力如表6。經(jīng)分析計(jì)算得出，錐頂結(jié)構(gòu)在支座位置處（A點(diǎn)、C點(diǎn)）內(nèi)力大，在跨中位置處（B點(diǎn)）內(nèi)力小，兩者的絕對(duì)值差值為14.3 kN。穹頂結(jié)構(gòu)在支座位置和跨中位置的絕對(duì)值差值0.4 kN。比較得知，穹頂結(jié)構(gòu)受力均勻，空間性更好。從兩種形式的倉(cāng)頂對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)力差值來比較，支座處（A、C點(diǎn)），錐頂大于穹頂。其余位置，錐頂小于穹頂。

表6 兩種倉(cāng)頂徑向力比較表（單位：kN）

在同一工況下，比較兩種倉(cāng)頂形式的繞X向彎矩如表7。兩種倉(cāng)頂形式X向彎矩均較小，不同結(jié)構(gòu)倉(cāng)頂無明顯差別。

表7 兩種倉(cāng)頂繞X向彎矩比較表（單位：kN·m）

在同一工況下，比較兩種倉(cāng)頂形式的繞Y向彎矩如表8。兩種倉(cāng)頂形式Y(jié)向彎矩均較小，可忽略不計(jì)。

表8 兩種倉(cāng)頂形式繞Y向彎矩比較表（單位：kN·m）

2.4 倉(cāng)頂電纜吊掛荷載

每個(gè)倉(cāng)24個(gè)點(diǎn)吊掛電纜，每個(gè)點(diǎn)按公式（4）[3]，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得69 kN。

式中，μs-糧食對(duì)電纜摩擦系數(shù)，為0.3；Pv,k-深度s處水平面上的靜態(tài)垂直壓力標(biāo)準(zhǔn)，為132 kPa；γs-糧食重力密度，為8 kN·m-3；μ-糧食對(duì)倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)，為0.4；ρ-筒倉(cāng)截面水力半徑，為5 m；Kd-電纜荷載動(dòng)態(tài)修正系數(shù)，取2。

從圖10電纜吊掛荷載下倉(cāng)頂位移云圖可以看出，在最大位移均在吊掛點(diǎn)處，錐頂最大豎向位移為0.755 mm，穹頂最大豎向位移為0.657 mm。可以看出穹頂在吊掛電纜荷載下的受力優(yōu)于錐頂。

圖10 電纜吊掛荷載下倉(cāng)頂位移云圖（單位：mm）

3 結(jié)構(gòu)施工

本文僅對(duì)倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，筒身及基礎(chǔ)等不做詳細(xì)討論。兩種結(jié)構(gòu)形式的倉(cāng)頂常規(guī)施工方法均采用在檐口處設(shè)置預(yù)埋件，搭設(shè)傘形鋼模板的方法施工。根據(jù)成都市溫江區(qū)的實(shí)際情況調(diào)查得知，現(xiàn)市場(chǎng)上錐頂鋼模板較為常見，且能適應(yīng)不同直徑和高度的倉(cāng)頂，易于調(diào)節(jié)大小。而穹頂需要弧形鋼模板，隨著倉(cāng)頂直徑和高度的變化，弧形鋼模板難以靈活調(diào)整。且四川地區(qū)市面上沒有現(xiàn)成的弧形鋼模板，如采用外地調(diào)運(yùn)，則需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸，加大工程造價(jià)。從施工便捷性比較，在現(xiàn)有的市場(chǎng)上，錐頂明顯優(yōu)于穹頂。但在保溫層和防水層施工時(shí)，穹頂更為平緩，施工更便捷，施工質(zhì)量更易得到保證。

3.1 工程造價(jià)

穹頂?shù)幕炷翞?2.9 m3，錐頂混凝土為69.5 m3，兩種倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)形式的混凝土和鋼筋用量無明顯差別。工程造價(jià)差異主要體現(xiàn)在施工費(fèi)用上，根據(jù)成都市溫江區(qū)的實(shí)際情況，本地區(qū)沒有弧形鋼模板，如果采用需要從河南等地運(yùn)輸至項(xiàng)目所在地，經(jīng)過測(cè)算，采用穹頂施工費(fèi)用比錐頂高約30%。

3.2 運(yùn)行維護(hù)

錐頂和穹頂均能滿足工藝需要，但在使用上有一定的差別，與錐頂相比，穹頂倉(cāng)頂更平緩，人員行走和設(shè)備安裝更便捷。

4 結(jié)論

本文通過綜合比較淺圓倉(cāng)錐頂和穹頂結(jié)構(gòu)形式，得出如下結(jié)論：①穹頂?shù)氖芰π阅苊黠@優(yōu)于錐頂結(jié)構(gòu)，在倉(cāng)頂荷載較大、地震烈度高、風(fēng)大的地區(qū)優(yōu)勢(shì)更為明顯。②就一般地區(qū)而言，弧形鋼模板較少，施工費(fèi)用穹頂明顯高于錐頂。但如果項(xiàng)目所在地有弧形鋼模板可用，則無明顯差別。③穹頂使用上優(yōu)于錐頂，如果建設(shè)方對(duì)淺圓倉(cāng)的使用要求較高，可優(yōu)先選擇穹頂結(jié)構(gòu)。因此，如果項(xiàng)目所在地區(qū)有弧形鋼模板，筆者更加推薦使用穹頂淺圓倉(cāng)。