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

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016;2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；3.山東財(cái)富縱橫置業(yè)有限公司，濟(jì)南 250001）

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)。

圖1 超大型圓臺(tái)狀鋼-索-竹組合式筒倉(cāng)示意圖

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。