鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)有限元分析*

王遠(yuǎn)坤

(大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京　211112)

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鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)有限元分析*

王遠(yuǎn)坤

(大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京211112)

通過(guò)某鋼筋混凝土礦渣微粉倉(cāng)的設(shè)計(jì)總結(jié)，簡(jiǎn)述了鋼筋混凝土筒倉(cāng)的使用范圍，探討鋼筋混凝土筒倉(cāng)的尺寸與倉(cāng)壁厚度及配筋的關(guān)系，以及溫度對(duì)配筋的影響。

鋼筋混凝土筒倉(cāng)； 深壁淺倉(cāng)； 壁厚； 貯料壓力； 配筋設(shè)計(jì)

引言

筒倉(cāng)是用來(lái)貯存散體物料的一種理想的常用倉(cāng)型，它占地面積小，倉(cāng)容量大，便于機(jī)械化作業(yè)。因此，在電力、糧食、煤炭、水泥、冶金等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在冶金行業(yè)更為突出。按存儲(chǔ)的物料可分為原煤倉(cāng)、煤粉倉(cāng)、礦渣倉(cāng)、石灰倉(cāng)等。筒倉(cāng)可分為淺倉(cāng)和深倉(cāng)。對(duì)淺倉(cāng)與深倉(cāng)的分類法有：按高徑比分類和按破裂面分類等多種，其中最簡(jiǎn)單、且被廣泛采用的方式為： 當(dāng)高徑比小于1.5時(shí)為淺倉(cāng)； 當(dāng)高徑比( 或高寬比) 大于或等于1.5時(shí)為深倉(cāng)[1]。貯料的側(cè)壓力是散裝倉(cāng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其計(jì)算正確與否直接關(guān)系到倉(cāng)體結(jié)構(gòu)是否安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。世界上很多國(guó)家都出現(xiàn)過(guò)大量筒倉(cāng)倉(cāng)體破裂或倒塌的事故，中國(guó)也不例外，而這些事故大都是由于設(shè)計(jì)時(shí)荷載考慮不足引起的，造成了巨大的損失。另外，當(dāng)筒倉(cāng)貯存熱物料時(shí)，尤其物料溫度在60℃左右時(shí)，鋼筋混凝土的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有明顯降低，此溫度下所引起的變形增量，收縮和徐變加劇，尤其鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的變化，容易產(chǎn)生裂縫，不應(yīng)忽視。常規(guī)計(jì)算方法很難考慮溫度的影響，采用Midas等有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算溫度應(yīng)力，溫度裂縫。

特別在冶金行業(yè)，隨著鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模的不斷提高，煤作為主要的輔助材料，儲(chǔ)煤筒倉(cāng)也朝著大型化的趨勢(shì)發(fā)展。萬(wàn)噸級(jí)容量的筒倉(cāng)習(xí)慣性稱為大型筒倉(cāng)。中國(guó)的大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在貯料荷載的作用下，倉(cāng)壁和漏斗壁的環(huán)向拉力較大，為滿足正常使用階段抗裂驗(yàn)算的要求，往往需要很大的截面配筋，盡管如此，倉(cāng)壁的裂縫仍難以控制在合理的范圍內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)人員提出采用預(yù)應(yīng)力倉(cāng)壁，充分利用混凝土的抗壓強(qiáng)度和高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)倉(cāng)壁施加預(yù)應(yīng)力，用高強(qiáng)度鋼材來(lái)承擔(dān)倉(cāng)壁的環(huán)向拉力，防止開裂，達(dá)到減小壁厚，節(jié)省大量混凝土及鋼材的目的。所以，設(shè)計(jì)者在鋼筋混凝土筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在貫徹執(zhí)行國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策前提下，做到技術(shù)先進(jìn)、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量是非常必要的。

1　布置及結(jié)構(gòu)選型

1．1布置原則

(1)筒倉(cāng)的平面布置應(yīng)根據(jù)下列主要條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

①工藝條件：包括筒倉(cāng)容量、斗壁最小傾角、貯料特性資料、裝卸方式以及其他要求。

②地形條件：特別是在山區(qū)、礦區(qū)建造筒倉(cāng)時(shí)，往往可充分利用地形條件取得比較滿意的經(jīng)濟(jì)效果。

③工程地質(zhì)條件：建造筒倉(cāng)地段必須具有詳細(xì)的巖土工程勘察報(bào)告，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況選取合適的筒倉(cāng)布置方案及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

(2)筒倉(cāng)的平面形狀，宜優(yōu)先選用圓形。圓形筒倉(cāng)與矩形筒倉(cāng)相比，具有體形合理、倉(cāng)體結(jié)構(gòu)受力明確、計(jì)算構(gòu)造簡(jiǎn)單、倉(cāng)內(nèi)死料少、有效貯存率高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效果顯著。對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形倉(cāng)，更便于滑模連續(xù)施工。

(3)布置群倉(cāng)宜選用單排布置或多排行列式布置。鋼筋混凝土圓形群倉(cāng)，宜選用倉(cāng)壁和筒壁(倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu))外圓相切的連接方式，以便于施工和配置鋼筋。

(4)特殊筒倉(cāng)布置。直徑大于18 m的鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)，因單倉(cāng)荷載較大，不宜采用群倉(cāng)布置方案，目的是防止地基土產(chǎn)生不均勻沉降，以免帶來(lái)設(shè)計(jì)處理上的困難。鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)的倉(cāng)壁和筒壁外圓相切的群倉(cāng)，當(dāng)總長(zhǎng)度超過(guò)50 m時(shí)，以及柱子支承的矩形群倉(cāng)，當(dāng)總長(zhǎng)度超過(guò)36 m時(shí)，均應(yīng)設(shè)置伸縮縫，以避免由于溫差和混凝土收縮作用使筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定的變形和裂縫。對(duì)于直徑大于10 m的圓形筒倉(cāng)，倉(cāng)頂上不宜布置有篩分設(shè)備的建筑。

圖1　圓形倉(cāng)布置圖

圖2　矩形倉(cāng)布置圖

1.2結(jié)構(gòu)選型

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)一般由六部分組成，即：倉(cāng)上建筑物、倉(cāng)頂、倉(cāng)壁、倉(cāng)底、倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)(筒壁或柱)、基礎(chǔ)。

(1)倉(cāng)壁。直接承受貯料水平壓力的豎壁。

(2)倉(cāng)底。直接承受貯料的垂直壓力。應(yīng)綜合考慮：①卸料暢通；②荷載傳遞明確， 結(jié)構(gòu)受力合理；③造型簡(jiǎn)單，施工方便；④填料較少。

倉(cāng)底形式最常用的方式有整體連接式和非整體連接式：整體連接，倉(cāng)底與倉(cāng)壁整體澆筑，整體性較好，但不利于滑模施工，計(jì)算較復(fù)雜；非整體連接，倉(cāng)底與倉(cāng)壁分開布置，倉(cāng)底通過(guò)邊梁(或環(huán)梁)支承于筒壁壁柱上，也可與倉(cāng)壁完全脫開，簡(jiǎn)化了計(jì)算，便于滑模施工。

(3)倉(cāng)頂。鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)的倉(cāng)頂可采用梁板結(jié)構(gòu)，當(dāng)dn≥15 m時(shí)可采用鋼筋混凝土正截錐殼、正截球殼等結(jié)構(gòu)形式。

(4)倉(cāng)上建筑物。倉(cāng)頂以上建筑物，有單層或兩層以上的廠房，一般布置有送料設(shè)備以及除塵設(shè)備等。

(5)倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)。倉(cāng)壁、倉(cāng)底和基礎(chǔ)之間的承重結(jié)構(gòu)，須具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。有柱子支承、筒壁支承、筒壁和內(nèi)柱共同支承等形式。

(6)基礎(chǔ)。獨(dú)立筒倉(cāng)一般采用擴(kuò)展基礎(chǔ)、環(huán)板基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等；當(dāng)筒倉(cāng)荷載較大，采用天然地基又不能滿足變形要求時(shí)，一般應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。

2　工程實(shí)例

本文選取的筒倉(cāng)工程實(shí)例是南京某礦渣微粉廠圓形筒倉(cāng)，該倉(cāng)直徑18 m，容量10500 t，構(gòu)筑物總高度45 m，倉(cāng)壁厚300 mm，筒壁厚300 mm，C35鋼筋混凝土。

圖3　南京某礦渣微粉倉(cāng)斷面圖

2.1荷載和荷載組合

(1)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮下列荷載：

①永久荷載：結(jié)構(gòu)自重、其他構(gòu)件及固定設(shè)備施加在倉(cāng)上的作用力、預(yù)應(yīng)力、土壓力、填料及環(huán)境溫度作用等。

②可變荷載：平臺(tái)及樓面活荷載(3.0 kN/m2)、貯料荷載、倉(cāng)頂屋面活荷載(3.0 kN/m2)、可移動(dòng)設(shè)備荷載、固定設(shè)備中的活荷載及設(shè)備安裝荷載、積灰荷載(1.0 kN/m2)、筒倉(cāng)外部的堆料荷載以及管道輸送產(chǎn)生的正、負(fù)壓力等。

③風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓(0.40 kN/m2)。風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，風(fēng)載體形系數(shù)，對(duì)圓形單倉(cāng)的倉(cāng)壁和筒壁采用0.6，對(duì)矩形倉(cāng)和倉(cāng)壁相連的群倉(cāng)采用1.3。

④地震荷載：本項(xiàng)目所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度[2]，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比為0.05。地震水平力計(jì)算時(shí)，取貯料總重的80%作為貯料的有效重量，而重心仍取滿倉(cāng)時(shí)的貯料總重的重心。

(2)荷載組合，并應(yīng)取其最不利者進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)?shù)卣鸷奢d與下列荷載組合時(shí)：恒載，取1.0；貯料荷載，有頂蓋時(shí)取0.9，無(wú)頂蓋時(shí)取1.0；雪荷載，取0.5；積灰荷載，取0.7；樓面活荷載，按等效均布荷載考慮時(shí)，取0.5～0.7，按實(shí)際情況考慮時(shí)，取1.0；風(fēng)荷載一般不用考慮。

荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計(jì)值，其荷載分項(xiàng)系數(shù)按下列規(guī)定選用：結(jié)構(gòu)自重，取1.2；貯料荷載，取1.3；樓面及平臺(tái)活荷載，取1.3(標(biāo)準(zhǔn)值>4 kN/m2)；屋面活荷載，取1.4；雪荷載，取1.4；風(fēng)荷載，取1.4；地震作用，取1.3。

2.2計(jì)算結(jié)果

圖4　Midas Sig-max應(yīng)力圖

圖5　Midas DXY位移圖

圖7　Midas Fmax內(nèi)力圖

3　結(jié)　論

鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)壁承受的主要是環(huán)向拉力，所以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的倉(cāng)壁水平方向的裂紋幾乎是不可避免的。使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)大直徑混凝土筒倉(cāng)時(shí)， 為滿足混凝土筒倉(cāng)規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬

度不得大于0.2 mm的要求，在滿足抵抗水平力的基礎(chǔ)上，需要增加50% 甚至更多的鋼筋，實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益不佳。以本文礦渣微粉庫(kù)為例，正常情況下，倉(cāng)壁的水平方向鋼筋若只需滿足抵抗水平力的要求，則只需配置直徑為14 mm的三級(jí)鋼筋既可。但為滿足控制裂縫的要求，實(shí)際上應(yīng)配置直徑為22 mm的三級(jí)鋼筋。在建造承受拉力的筒壁時(shí)，施工單位通常使用滑模法施工。在混凝土中摻入鋼纖維，增加了混凝土的和易性，可以有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生?？擅黠@改善混凝土的抗裂縫性能，對(duì)于控制混凝土筒倉(cāng)壁裂縫具有明顯的效果。

對(duì)于貯存高溫貯料的鋼筋混凝土筒倉(cāng)，倉(cāng)壁溫度作用效應(yīng)同時(shí)作用在倉(cāng)壁的水平和垂直方向, 對(duì)倉(cāng)壁的水平配筋和豎向配筋均有影響。當(dāng)倉(cāng)壁內(nèi)、外壁溫差大于30℃時(shí), 應(yīng)綜合考慮材料強(qiáng)度和彈性模量的折減、施工技術(shù)措施，緩解溫差對(duì)倉(cāng)壁開裂的影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

有限元軟件在工程分析中的作用已從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以預(yù)見，隨著現(xiàn)代力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，以Midas為代表的通用有限元軟件，必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

[1]邱立超，陳慶國(guó)．鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011；10(4)：99—101．

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010-2010．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]． 2010．

[3]張少坤．大直徑鋼筋混凝土筒倉(cāng)溫度荷載和貯料荷載作用有限元分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2008．

2015-08-12

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