應用PKPM 軟件計算料倉框架上部混凝土結構案例分析與探討

申坤

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

料倉一般采用框架梁式（混凝土或鋼結構）支撐形式，料倉的高度經(jīng)常是大于支撐框架的高度。對料倉框架上部混凝土結構進行內(nèi)力分析時，常常遇到這樣的問題：如何精確地把作用在料倉荷載（包括倉筒自重、貯料重量、地震作用及風荷載）傳遞到支承框架上？陳春[1]應用SATWE 軟件對計算料倉框架的兩種方法進行比較，研究發(fā)現(xiàn)使用推導荷載并加附加力的方法，其計算結果是安全的；采用模擬方法計算自振周期比較接近現(xiàn)狀。金德林[2]介紹運用PKPM 結構計算軟件建模計算料倉時的參數(shù)設置。賀寶林等[3]通過多年的經(jīng)驗，總結了此類結構的設計方法。蔡琳[4]通過分析倉框架的結構設計，說明概念設計在結構設計中的重要性。汪楨[5]通過工程實例，介紹料倉框架計算模型的選定、結構設計方法和構造要求。目前的研究更多地是針對料倉的結構選型和計算方法，而解決上述問題的研究還未見可供參考的案例。本文提供一個料倉的鑒定項目，運用PKPM 軟件對料倉框架上部混凝土結構進行復核，對上述問題進行探討。

1 工程概況

本工程料倉為底部三層混凝土框架，框架頂標高為13.000m，結構平面尺寸6.56m×6.56m，倉筒直徑為6.000m，混凝土設計強度等級為C30。在混凝土框架頂層支撐550t(活荷載：500t；恒荷載：50t)，料倉設備與混凝土框架支撐梁采用群座螺栓進行連接。本工程所在地區(qū)抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，基本風壓0.35kN/m2，地面粗糙度B 類。料倉倉體圖如圖1 所示。

圖1 料倉倉體圖

2 設計分析

2.1 結構分析模型

為了使計算模型最大限度接近于真實情況，更為合理地將料倉荷載（包括倉筒自重、貯料重量、地震作用及風荷載）傳遞至框架上，在計算軟件中進行如下處理：

⑴將料倉按倉壁的厚度分成6 段，如圖2 所示；

圖2 料倉分段示意圖

⑵每一段是一根柱，截面是鋼圓管。料倉變成連續(xù)的鋼管柱，模型中將鋼柱的密度設置為0，即鋼柱只用來模擬料倉剛度，不模擬重量；

⑶通過料倉的支承梁的8 個支承點建立剛性梁，其交叉點就是鋼管柱的（料倉）的固定點，剛性梁在料倉外壁與框架梁交點間如實建立鋼支座；

⑷剛性梁在與剛性支撐梁交點處，指定為鉸接。

通過以上幾個步驟，實現(xiàn)了將料倉底剛接到剛性梁上，相當于有了剛性底盤，通過剛性底盤與支撐梁連接。料倉支座層示意圖見圖3，所建立的結構空間分析模型如圖4 所示。

圖3 料倉支座層示意圖

圖4 結構空間分析模型

2.2 料倉荷載

依照現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范》（GB 50077-2003）[6]第4.1.1 節(jié)對筒倉結構上荷載的分類以及本項目料倉的分段情況，可計算得到每一段作用在節(jié)點的集中力，如表1 所示。

表1 料倉重量分配及荷載情況

2.3 風荷載

依照現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[7]第8.1 節(jié)風荷載標準值的計算以及本項目料倉的分段情況，可計算得到每一段作用的集中風荷載標準值，如表2 所示。風荷載按特殊風荷載（考慮風振效應）分段輸入到模型中。

表2 集中風荷載標準值

3 計算結果分析

通過對料倉框架上部混凝土結構進行復核驗算，由PKPM 軟件計算結果可得，框架梁柱計算配筋滿足承載力要求，結構自振周期為0.75s，有效質量為98.48%，最大層間位移角為1/1734，柱軸壓比為0.4，符合規(guī)范要求。

4 有待探討的問題

料倉結構在工業(yè)建筑中比較普遍，每個料倉結構的設計特點都不一樣，如何保證料倉結構設計的合理性有待進一步探討。

4.1 料倉與框架結構整體計算分析

本項目三維模型的建立采用PKPM 軟件的SATWE 模塊，主要目的是為了將料倉鋼框架結構與混凝土框架結構一起建模進行整體分析。這樣結構模型較為真實，不必將作用在料倉上的風荷載、地震力換算成力偶作用在框架上，避免造成荷載和地震質量的重復輸入，導致荷載組合混亂。同時使用本項目的設計方法能實現(xiàn)將料倉底剛接到剛性梁上，相當于有了剛性底盤，通過剛性底盤與支撐梁連接，因此可以反映料倉及其支承結構的動力響應問題。這樣模擬出的實際模型，料倉、物料和底部框架三個質點所受的地震作用都能計算求解出來，按照這種方法得出的計算結果才是比較精確的。

4.2 扭轉效應

本項目為單個料倉，假如遇到多個并排的料倉結構，當結構對稱、質量分布也對稱時，其振型的參與系數(shù)為零，即可以不考慮料倉扭轉的影響。如果考慮料倉不是都滿倉時，扭轉和相對振動會起較大的作用，但不一定起控制作用。

料倉投入生產(chǎn)時，可能出現(xiàn)空倉或者滿倉的工況，造成料倉的質心和支承結構的剛心不重合，此時若又發(fā)生設防烈度地震，在水平地震作用下支承結構可能會產(chǎn)生地震扭轉效應。由于對實際操作料倉過程無法控制，分析時考慮此類特殊極端工況引起的偏心扭轉效應較困難。

4.3 物料荷載

在《鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范》（GB 50077-2003）[6]第4.1.1 節(jié)對料倉結構上荷載的分類可知料倉的貯料被定義為可變荷載，其組合系數(shù)為0.9，分項系數(shù)取1.3。物料重量取決于料倉的容積、物料的容重、荷載分項系數(shù)及荷載的組合系數(shù)。由此可見如果物料重量的計算方法不同，相差很大。

從PKPM 軟件的荷載組合表中可看出，當無風、無地震力作用時，料倉荷載取恒荷載或活荷載相差不大；當有地震作用時，地震作用和地震組合則有較大差別，但在PKPM 軟件中通過調整活荷載質量折減系數(shù)γ（計算間據(jù)周期和地震力），和活荷載重力代表值系數(shù)γEG（只在有地震組合中對活載作用進行折減）可以得到滿意的結果。建議當將物料當活荷載時，質量折減系數(shù)取0.9，活荷載重力代表值系數(shù)取1.0。因此在計算時，分組清晰，組合要明確、完整、合理。

5 結語

由于本案例是單個料倉相對比較簡單，本工程在對料倉結構的復核過程中，在對該構筑物的使用荷載以及相關參數(shù)充分了解的情況下，通過PKPM 軟件建立合適的三維模型，充分考慮料倉荷載、風荷載及地震作用等參數(shù)對料倉結構的影響。結合結構驗算結果，可知結構設計的合理性。同時總結出設計料倉結構應需要注意的問題：

⑴料倉與框架結構建模時應整體分析，這樣得到的計算結果才比較精確；

⑵當多個并排或者復雜的料倉結構投入生產(chǎn)運營時，無法避免會遇到偏心扭轉效應；

⑶對于物料荷載的分析，要充分考慮料倉的容積、物料的容重、荷載分項系數(shù)及荷載的組合系數(shù)等因素的影響。