扶壁柱支撐半地下混凝土平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)性能分析

金立兵，李中原，張慶章，咸慶軍，李 昭

河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

我國(guó)每年對(duì)糧食的需求量在5億 t以上，1998—2005年在國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)期間，平房倉(cāng)建設(shè)倉(cāng)容占總倉(cāng)容的85%以上[1]。近年來(lái)，平房倉(cāng)裝糧高度已達(dá)8 m以上，部分高大平房倉(cāng)裝糧高度突破12 m，但占地面積大仍然是突出問(wèn)題。王森[2]基于顆粒流(二維)理論建立平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)縮尺模型，通過(guò)模擬散體與平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)縮尺模型的相互作用試驗(yàn)，探討了平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)與散體的相互作用規(guī)律。丁永剛[3]利用有限元軟件分析填充砌塊強(qiáng)度對(duì)糧食側(cè)壓力作用下密肋復(fù)合墻體受力性能的影響，認(rèn)為填充砌塊對(duì)墻體的抗彎剛度有很大的貢獻(xiàn)。孫文倩[4]對(duì)雙T板屋蓋的平房倉(cāng)糧庫(kù)進(jìn)行受力性能分析，提出了雙T板與柱頂圈梁之間最合理的連接構(gòu)造方法。劉岳君[5]通過(guò)對(duì)不同柱腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的受力性能、變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了柱腳和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)律與特性。對(duì)大跨度散裝平房倉(cāng)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)地基承載力問(wèn)題，運(yùn)用不同的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，提出更實(shí)用的獨(dú)立基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算方法[6-8]。黃鸝[9]通過(guò)對(duì)不同跨度、不同堆糧高度的平房倉(cāng)排架柱進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)隨裝糧高度的增加柱配筋量增長(zhǎng)較快，相同裝糧高度時(shí)，柱配筋量隨跨度增加基本保持不變。劉永超[10]采用三維顆粒流分析軟件PFC3D建立了平房倉(cāng)的縮尺模型，發(fā)現(xiàn)受裝糧高度、摩擦力和堆積時(shí)間等因素的影響，單點(diǎn)的糧堆底部壓力與糧堆高度呈近似線性關(guān)系，但糧堆底部壓力整體上分布是非均勻的。范量[11]分析了糧食平房倉(cāng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的偏心問(wèn)題，確定了基礎(chǔ)偏心距的合理取值。陳家豪[12]通過(guò)對(duì)高大平房倉(cāng)散裝糧糧堆底部壓力進(jìn)行PFC離散元模擬，得出糧堆底部豎向壓力與糧堆堆積高度之間的聯(lián)系。

以上研究主要集中于平房倉(cāng)的構(gòu)件層次，沒(méi)有解決裝糧高度增加導(dǎo)致糧食荷載效應(yīng)過(guò)大的問(wèn)題。作者通過(guò)對(duì)不同扶壁柱高度、角度、裝糧品種及裝糧高度的半地下平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，為節(jié)約土地、提高倉(cāng)容、保證糧食品質(zhì)提供理論支撐。

1 工程概況

天津利達(dá)糧食半地下平房倉(cāng)項(xiàng)目位于天津市，共建9個(gè)半地下平房倉(cāng)，總倉(cāng)容達(dá)16萬(wàn)t，平房倉(cāng)倉(cāng)身長(zhǎng)度60 m，跨度30 m，裝糧高度16 m，場(chǎng)地為Ⅲ 類場(chǎng)地、中軟土。

2 新型結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)

2.1 新型結(jié)構(gòu)形式

選用建筑平面形式為矩形，柱距為3 m，屋面選用雙T板，在柱子外側(cè)引入扶壁柱，用來(lái)抵消糧食側(cè)壓力引起的不利效應(yīng)。扶壁柱支撐半地下平房倉(cāng)剖面如圖1所示。

圖1 扶壁柱支撐半地下平房倉(cāng)剖面Fig.1 Section diagram of semi-underground horizontal warehouse with buttress pillars

2.2 結(jié)構(gòu)受力

散裝糧食半地下倉(cāng)分別承受糧食產(chǎn)生的側(cè)壓力(ph)、豎向摩擦力(pf)和外部土產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力(ep)：

ph=kγs,

(1)

pf=ksγtanδ,

(2)

ep=γzkp,

(3)

式中:k為平堆時(shí)糧食側(cè)壓力系數(shù)；γ為糧食重力密度，kN/m3；s為糧食頂面至計(jì)算截面的距離，m；δ為糧食對(duì)灰砂粉刷面的外摩擦角，(°)；kp=tan2(45°+φ/2)，φ為黏性土內(nèi)摩擦角，(°)；糧食物料物理參數(shù)，如表1所示。

表1 糧食物料物理參數(shù)Table 1 Grain material physical parameters

3 扶壁柱體系結(jié)構(gòu)的提出

3.1 模型建立

采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬分析，儲(chǔ)糧品種按照散裝大米進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，重力密度為8.5 kN/m3，散裝糧食半地下平房倉(cāng)主要由倉(cāng)壁、梁、柱、雙T板構(gòu)成，柱與基礎(chǔ)固接，倉(cāng)壁與梁、柱的連接采用固接，雙T板屋蓋與梁鉸接。倉(cāng)壁分為地上倉(cāng)壁和地下倉(cāng)壁，地上倉(cāng)壁選用鋼筋混凝土聯(lián)系梁加砌體的組合結(jié)構(gòu)形式，即在適當(dāng)位置以倉(cāng)壁柱子為支座設(shè)置水平方向的聯(lián)系梁，聯(lián)系梁之間用砌體填充而形成的組合倉(cāng)壁，地下倉(cāng)壁選用鋼筋混凝土墻。半地下平房倉(cāng)的建筑材料除地上倉(cāng)壁采用部分砌體外，其他構(gòu)件均采用鋼筋混凝土材料，材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范選取。

3.2 普通地上、無(wú)扶壁柱半地下及3 m扶壁柱支撐半地下3種平房倉(cāng)倉(cāng)型受力分析

利用3.1中參數(shù)計(jì)算倉(cāng)高為18 m，裝糧高度為16 m的普通地上平房倉(cāng)的受力及變形，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 普通地上平房倉(cāng)應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of ordinary ground horizontal warehouse

由圖2可以看出，最大應(yīng)力(15.9 MPa)位于柱腳處，所受應(yīng)力過(guò)大，結(jié)構(gòu)可能受到破壞。為了抵消糧食側(cè)壓力，提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力，引入半地下倉(cāng)體系，結(jié)合天津利達(dá)實(shí)際工程，地下部分為4 m，保持倉(cāng)容量與上述普通地上平房倉(cāng)倉(cāng)容量一致，地上裝糧高度12 m，總裝糧高度仍為16 m，建立模型并進(jìn)一步分析，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 無(wú)扶壁柱半地下平房倉(cāng)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse without buttress pillar

從圖3可以看出，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍位于柱腳處，應(yīng)力降為11.31 MPa，有明顯地降低，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍然較大，為了平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)安全，考慮在模型外部，引入扶壁柱體系，在柱子外側(cè)增加扶壁柱，扶壁柱高度初步定為3 m，傾斜角為60°。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力降為4.99 MPa，引入扶壁柱之后的平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相較于前兩種倉(cāng)型結(jié)構(gòu)有明顯的減小，且最大應(yīng)力出現(xiàn)位置由普通地上平房倉(cāng)和無(wú)扶壁柱半地下平房倉(cāng)的柱底部轉(zhuǎn)移到扶壁柱與結(jié)構(gòu)柱的連接部位，因此采用扶壁柱支撐半地下糧食平房倉(cāng)方案是完全可行的。

圖4 3 m扶壁柱支撐半地下平房倉(cāng)應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse with 3 m buttress pillars

普通地上、無(wú)扶壁柱半地下與3 m扶壁柱支撐半地下平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)最大位移均位于側(cè)面山墻頂部，選擇側(cè)壁頂部，分析3種平房倉(cāng)情況下的位移變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同平房倉(cāng)側(cè)壁頂端位移變形情況Fig.5 Top displacement deformation of the side wall of different horizontal warehouses

由圖5可以看出，側(cè)壁山墻頂部位移變化呈類拋物線形向外變形，結(jié)構(gòu)最大位移集中在側(cè)壁頂部中間1/3部分，最大值處于側(cè)壁頂部最中心，加扶壁柱之前，普通地上平房倉(cāng)與無(wú)扶壁柱半地下平房倉(cāng)側(cè)壁頂部位移普遍較大，集中在20～28 mm之間，加扶壁柱之后，結(jié)構(gòu)最大位移為7 mm，較前兩種倉(cāng)型結(jié)構(gòu)最大位移明顯減小，且側(cè)壁整體偏移位移更趨穩(wěn)定，在距邊柱5～25 m范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)位移穩(wěn)定在7 mm左右，表明結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

4 不同扶壁柱高度、角度、裝糧品種及裝糧高度的整體性能分析

4.1 不同扶壁柱高度下的整體性能分析

為了得到更為合適的結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)不同扶壁柱高度進(jìn)行分析比較，扶壁柱傾斜角為60°，高度分別為2、3、4 m。對(duì)于加扶壁柱之后的平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位于扶壁柱與結(jié)構(gòu)柱連接處，結(jié)構(gòu)最大位移仍位于側(cè)壁頂部。對(duì)3種扶壁柱高度情況下的模型進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力如圖6所示，由圖6可以看出，在提高扶壁柱附柱高度的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力逐漸減小，其中最大位移最大值為9.6 mm，最大應(yīng)力最大值為6.6 MPa，因此可以得出，扶壁柱越高，結(jié)構(gòu)模型越穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)最大位移的變化接近線性變化，而結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在扶壁柱標(biāo)高分別為3 m和4 m時(shí)相差不大，最大應(yīng)力均不超過(guò)5.0 MPa，從結(jié)構(gòu)用料角度考慮，扶壁柱支撐高度越低越省材料，因此綜合考慮，扶壁柱的支撐高度架在3 m處更為合適。

圖6 不同扶壁柱高度下結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力變化情況Fig.6 Maximum displacement and maximum stress of different buttress pillar heights

4.2 不同扶壁柱傾斜角下的整體性能分析

在倉(cāng)壁外側(cè)增加扶壁柱，不僅要考慮扶壁柱高度設(shè)計(jì)，更要考慮扶壁柱的傾斜角度。分別針對(duì)45°、60°、75°扶壁柱傾斜角進(jìn)行比較分析，其中扶壁柱高度為3 m。模型在3種扶壁柱傾斜角度的情況下的受力及變形，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同扶壁柱傾斜角結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力變化情況Fig.7 Maximum displacement and maximum stress of different buttressed pillar angles

由圖7可以看出，扶壁柱傾斜角從45°增大到75°，結(jié)構(gòu)最大位移在不斷增大，且是先緩后急，而結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力先減小后增大，傾斜角為60°時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力最小，而從45°到60°，結(jié)構(gòu)最大位移并無(wú)太大變化。在扶壁柱附柱高度相同時(shí)，傾斜角越小，糧倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)用料越多，所占面積越大，綜上所述，扶壁柱傾斜角為60°左右時(shí)更為合理。

4.3 不同裝糧品種下的整體性能分析

為了分析不同糧食對(duì)半地下平房糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響，在裝糧高度為16 m，扶壁柱高度為3 m，傾斜角為60°情況下，分別采用大米、小麥、玉米3種裝糧品種進(jìn)行模擬分析，不同裝糧品種結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力變化情況如圖8所示。

圖8 不同裝糧品種最大位移和最大應(yīng)力變化情況Fig.8 Maximum displacement and maximum stress of different grain varieties

由圖8可知，結(jié)構(gòu)最大位移最大值為8.0 mm，最大應(yīng)力最大值為5.6 MPa，說(shuō)明該倉(cāng)型適用于多種裝糧品種。由2.2中公式(1)、(2)可知，作用于倉(cāng)壁單位面積上的側(cè)壓力和豎向摩擦力不僅與糧食容重有關(guān)，還與糧食側(cè)壓力系數(shù)及外摩擦角有關(guān)，在其他條件不變的情況下，水平壓力與豎向摩擦力越大，結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力越大。

4.4 不同裝糧高度下的整體性能分析

為進(jìn)一步分析裝糧高度對(duì)平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)情況，分別采用裝糧高度15、16、17 m，扶壁柱高度為3 m，傾斜角為60°，裝糧品種為大米進(jìn)行模擬分析，受力及變形結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同裝糧高度最大位移和最大應(yīng)力變化情況Fig.9 Maximum displacement and maximum stress of different loading heights

由圖9可知，隨著裝糧高度的增加，結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力逐漸增大，其中最大應(yīng)力最大值6.5 MPa，最大位移最大值為10.2 mm；裝糧高度既要保證儲(chǔ)糧空間的充分利用，又要杜絕空間的浪費(fèi)，裝糧高度在17 m時(shí)，結(jié)構(gòu)最大位移已達(dá)到10 mm以上，同時(shí)考慮裝糧線以上的作業(yè)空間等因素，建議裝糧高度為16 m，既滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全需求，又保證了儲(chǔ)糧空間的充分利用。

5 結(jié)論

通過(guò)分析不同情況下散裝糧半地下混凝土平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)的受力和變形，得出以下結(jié)論：散裝糧食半地下混凝土框架平房倉(cāng)中引入扶壁柱體系，減小了結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由柱子底部轉(zhuǎn)移到扶壁柱與柱子連接處，且最大應(yīng)力顯著減??；平房倉(cāng)側(cè)壁頂端位移呈類拋物線形式向外變形，最大位移位于側(cè)壁頂端中間1/3部分，加扶壁柱之后，結(jié)構(gòu)最大位移較之前明顯降低，且側(cè)壁整體偏移位移更趨穩(wěn)定。扶壁柱支撐高度3 m、支撐角為60°、糧倉(cāng)裝糧高度為16 m時(shí)最佳，占地面積合理，該倉(cāng)型只增大外部扶壁柱的占地面積，能使倉(cāng)容量大幅提高，且適用于多種裝糧品種。以天津利達(dá)糧食半地下平房倉(cāng)項(xiàng)目為依托，地下儲(chǔ)糧高度定為4 m，最優(yōu)地下儲(chǔ)糧高度尚需進(jìn)一步研究。