一種新型半架空鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)的理論分析及應(yīng)用

曹利崗 席 達(dá) 趙小燕

1河南工大設(shè)計(jì)研究院（450001） 2 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院（450007）

0 前言

淺圓倉(cāng)是一種節(jié)地儲(chǔ)糧倉(cāng)型，既滿足糧食儲(chǔ)備的性能要求，又能快速機(jī)械化進(jìn)出糧，目前在糧食行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用[1]。淺圓倉(cāng)有兩種形式：地下通廊式、架空式。此兩種淺圓倉(cāng)統(tǒng)稱為常規(guī)淺圓倉(cāng)。

地下通廊式淺圓倉(cāng)是最早形成的淺圓倉(cāng)形式。其優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是地下通廊易漏水易積灰。近年來(lái)，隨著泄爆要求越來(lái)越嚴(yán)，給地下通廊的設(shè)計(jì)帶來(lái)較大難度，現(xiàn)在建設(shè)的越來(lái)越少。

架空式淺圓倉(cāng)是對(duì)地下通廊式淺圓倉(cāng)的改進(jìn)，把地下通廊上提至地面，讓倉(cāng)體架到空中。優(yōu)點(diǎn)是解決地下通廊漏水及泄爆問(wèn)題，缺點(diǎn)是清倉(cāng)設(shè)備進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)需要設(shè)置架空坡道，或利用吊舉裝置把清倉(cāng)設(shè)備引入。架空式淺圓倉(cāng)即占用用地空間又加大建設(shè)投資，安全作業(yè)隱患較多。

鑒于此，文章介紹一種新型半架空、用于存儲(chǔ)散糧的多功能糧倉(cāng)。與架空式淺圓倉(cāng)相比，半架空淺圓倉(cāng)更加經(jīng)濟(jì)和方便，解決了架空式淺圓倉(cāng)的清倉(cāng)設(shè)備進(jìn)倉(cāng)難問(wèn)題和土方量大的問(wèn)題。與地下通廊式淺圓倉(cāng)相比，半架空淺圓倉(cāng)更加合理和安全，解決了地下通廊式淺圓倉(cāng)的地下漏水問(wèn)題和粉塵泄爆問(wèn)題。

1 工程概況

鋼筋混凝土新型半架空淺圓倉(cāng)，倉(cāng)直徑28 m，淺圓倉(cāng)直段高27.1 m，倉(cāng)壁厚為250 mm，環(huán)梁尺寸為500 mm×800 mm，底部支撐柱尺寸為750 mm×750 mm，倉(cāng)底板厚度為500 mm，倉(cāng)內(nèi)填裝的貯料為大豆，其重力密度為ρ=7.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角25°，貯料對(duì)倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)μ=0.4。

考慮到場(chǎng)地地塊內(nèi)有一坡度為7°的斜坡場(chǎng)地，淺圓倉(cāng)的支承方式上分為兩種，一種是將場(chǎng)地平整完畢，在沒(méi)有坡度的平地上采用傳統(tǒng)倉(cāng)型，即用倉(cāng)壁和支撐柱將淺圓倉(cāng)上部倉(cāng)體托起，倉(cāng)底不與地面直接接觸，形成一種完全架空的淺圓倉(cāng)，此種做法為目前國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的做法。文章中考慮一種創(chuàng)新做法，即在有坡度的場(chǎng)地，利用其天然坡度，將一半倉(cāng)底直接落在斜坡上，另一半倉(cāng)底板用倉(cāng)壁和支撐柱架起，整個(gè)倉(cāng)體由倉(cāng)壁、支撐柱和斜坡地面共同撐起，形成柱壁+ 地面的支撐形式。此種淺圓倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式為一種新的倉(cāng)型，被人們稱之為半架空淺圓倉(cāng)。

2 有限元計(jì)算

2.1 半架空淺圓倉(cāng)的有限元模型建立

半架空淺圓倉(cāng)相關(guān)參數(shù)如下:直徑28.0 m，淺圓倉(cāng)直段高27.10 m。采用ABAQUS 程序?qū)\圓倉(cāng)滿倉(cāng)時(shí)的荷載條件進(jìn)行有限元靜力分析，淺圓倉(cāng)殼壁采用C3D8R 實(shí)體單元模擬，倉(cāng)底平臺(tái)及支柱采用C3D10 四面體單元模擬，鋼筋混凝土彈性模量取值為E=3.7×104 N/mm2，泊松比取0.2，質(zhì)量的密度取2 500 kg/m3。倉(cāng)壁底部、底板無(wú)柱支撐底部（直接支撐于基礎(chǔ)）及柱底采用固支的邊界條件。

2.1.1 荷載條件

恒荷載DL 取值:荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，倉(cāng)頂恒載為0.5 kN/m2，鋼筋混凝土構(gòu)件自重為2 500 kg/m3；

活荷載取值:散料的荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，其他取1.5 倉(cāng)頂活載LL1 為4 kN/m2，散料荷載LL2。

作用于倉(cāng)壁水平壓力最大值:

作用于倉(cāng)底底板:pv=γs=7.5×22.6=169.5 kN/m2

雪荷載SL:0.35 kN/m2；

風(fēng)荷載W:結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，基本風(fēng)壓取0.4 kN/m2。風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.342。

風(fēng)荷載體型系數(shù)按下面規(guī)定取值。

對(duì)于作用于單個(gè)圓柱形淺圓倉(cāng)倉(cāng)壁的風(fēng)荷載，如下式所示。

其中，dc為淺圓倉(cāng)直徑，H 為淺圓倉(cāng)高度。迎風(fēng)面30°范圍內(nèi)風(fēng)荷載對(duì)倉(cāng)壁的作用為壓力，其他區(qū)域風(fēng)荷載對(duì)倉(cāng)壁的作用為拉力。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:wk=1.0×1.342×0.4×us=0.54uskN/m2

其中，us在ABAQUS 中通過(guò)定義函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)。

荷 載 組 合:1.3 ×DL+1.3 ×LL2+1.5 ×0.7 ×LL1+1.5×0.7×SL+1.5×0.6×WL。

2.1.2 有限元分析結(jié)果

淺圓倉(cāng)倉(cāng)壁在荷載組合作用下沿圓周方向的應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力值為4.281 MPa，出現(xiàn)在底部平臺(tái)與倉(cāng)壁連接區(qū)域。需要說(shuō)明的是，雖然此應(yīng)力值超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力值，但由于鋼筋的作用，截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，倉(cāng)壁環(huán)向配筋換算為鋼筋的應(yīng)力值，小于鋼筋的允許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。環(huán)梁在荷載組合作用下沿圓周方向的應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力值為1.919 MPa。倉(cāng)壁沿圓周方向的位移分布，最大位移值為0.437 mm，出現(xiàn)在倉(cāng)頂靠近開(kāi)洞區(qū)域，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)壁沿豎直方向的位移分布，最大位移值為4.143 mm，出現(xiàn)在倉(cāng)頂板中部區(qū)域，小于規(guī)范允許值10 592/400=26.48 mm，滿足規(guī)范要求[2]。

倉(cāng)底板及支柱在荷載作用下水平X 方向及水平Z 方向的應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力值為14.762 MPa，出現(xiàn)在柱與底板連接部位，由作用于底板的貯料荷載引起的負(fù)彎矩引起。雖然此應(yīng)力值超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力值，但由于鋼筋的作用，截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，換算為鋼筋的應(yīng)力值，小于鋼筋的允許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)底板及支柱豎直方向的位移分布，最大位移值為3.039 mm，出現(xiàn)在支柱之間的板帶中央部位，小于規(guī)范允許值4 500/400=11.25 mm，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值僅為0.312 mm。

2.2 常規(guī)淺圓倉(cāng)的有限元模型建立

本節(jié)采用ABAQUS 程序?qū)\圓倉(cāng)滿倉(cāng)時(shí)的荷載條件進(jìn)行有限元靜力分析。相關(guān)幾何參數(shù)及單元網(wǎng)格劃分同本文2.1 節(jié)。

2.2.1 荷載條件

恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、散料荷載取值同本文2.1 節(jié)。

2.2.2 有限元分析結(jié)果

淺圓倉(cāng)倉(cāng)壁在荷載組合作用下沿圓周方向的應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力值為4.86 MPa，出現(xiàn)在底部平臺(tái)與倉(cāng)壁連接區(qū)域。需要說(shuō)明的是，雖然此應(yīng)力值超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力值，但由于鋼筋的作用，截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，倉(cāng)壁環(huán)向配筋換算為鋼筋的應(yīng)力值，小于鋼筋的允許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。環(huán)梁在荷載組合作用下沿圓周方向的應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力值為2.039 MPa。倉(cāng)壁沿圓周方向的位移分布，最大位移值為0.344 mm，出現(xiàn)在倉(cāng)頂靠近開(kāi)洞區(qū)域，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)壁沿豎直方向的位移分布，最大位移值為4.498 mm，出現(xiàn)在倉(cāng)頂板中部區(qū)域，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值11 034/400=27.58 mm，滿足規(guī)范要求。

倉(cāng)底板及支柱在荷載作用下水平X 方向及水平Z 方向的應(yīng)力分布。最大拉應(yīng)力值為18.07 MPa，出現(xiàn)在柱與底板連接部位，由作用于底板的貯料荷載引起的負(fù)彎矩引起。雖然此應(yīng)力值超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力值，但由于鋼筋的作用，截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，換算為鋼筋的應(yīng)力值，小于鋼筋的允許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)底板及支柱豎直方向的位移分布，最大位移值為4.48 mm，出現(xiàn)在支柱之間的板帶中央部位并且小于規(guī)范的允許值5 800/400=14.5 mm，滿足規(guī)范要求。倉(cāng)底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值僅為0.475 mm。

3 兩種倉(cāng)下支承的模型對(duì)比分析

在滿倉(cāng)工況下，分別進(jìn)行半架空淺圓倉(cāng)和常規(guī)淺圓倉(cāng)彈性分析，得出同工況下兩者倉(cāng)壁、倉(cāng)底板和環(huán)梁除的最大拉力、最大位移矢量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 和表2。

表1 淺圓倉(cāng)各部位最大拉應(yīng)力值

表2 淺圓倉(cāng)各部位最大位移值

根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合相關(guān)規(guī)范可知，采用兩種支承方式的鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵部位的最大拉應(yīng)力和最大位移值均未超限。

從表1 可以看出，采用半架空淺圓倉(cāng)在倉(cāng)壁、環(huán)梁、倉(cāng)底板處所受的拉力均比常規(guī)淺圓倉(cāng)支撐方式的要小。

從表2 可以看出，采用半架空淺圓倉(cāng)除了倉(cāng)壁沿圓周方向的位移稍大，倉(cāng)壁的豎向位移、倉(cāng)底板的豎向位移和水平位移均比采用柱壁支撐方式的淺圓倉(cāng)要小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬同種工況下兩種支承方式的鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)受力情況，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論[3-5]。采用半架空淺圓倉(cāng)的支承方式，鋼筋混凝土淺圓倉(cāng)在倉(cāng)壁、環(huán)梁、倉(cāng)底板等關(guān)鍵部位的受力情況要優(yōu)于同工況下常規(guī)淺圓倉(cāng)支撐方式的淺圓倉(cāng)。在同工況下，半架空淺圓倉(cāng)在倉(cāng)壁、底板等關(guān)鍵部位的最大位移值大多小于采用柱壁支撐方式的淺圓倉(cāng)。但半架空淺圓倉(cāng)在倉(cāng)壁沿圓周方向位移較采用常規(guī)淺圓倉(cāng)的要大。建議在實(shí)際工程中應(yīng)注意對(duì)此位置位移量的驗(yàn)算，以防止超限。

綜合上述結(jié)論可以判斷，采用半架空淺圓倉(cāng)的淺圓倉(cāng)可依托坡地地勢(shì)建造、大幅節(jié)約土地成本、節(jié)省土方量的同時(shí)，在同工況下受力性能優(yōu)于常規(guī)淺圓倉(cāng)。結(jié)合實(shí)際工程，文章為采用半架空淺圓倉(cāng)的選擇提供了科學(xué)依據(jù)，為實(shí)際工程提供了更經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。