钢筋混凝土筒仓结构设计

合肥水泥研究设计院 邱 锐 李宗辉 张 翔

钢筋混凝土筒仓结构设计

合肥水泥研究设计院 邱 锐 李宗辉 张 翔

钢筋混凝土筒仓结构在水泥工业厂房中是应用最广泛的贮料构筑物，随着新的建筑材料及施工方法的开发，传统的水泥厂筒仓结构设计已经打破了传统的设计方法。本文，笔者介绍了两种新的设计思路，以期对同行有所参考。

一、采用钢骨混凝土结构

仓下支撑结构的选型应根据仓底形式、基础类别和工艺要求进行综合分析确定。圆形筒仓仓下支撑结构有柱支撑、筒壁支撑、筒壁与内柱共同支撑等形式。对于大直径的圆形筒仓，应优先采用筒壁支撑或筒壁与内柱共同支撑的形式。唐山地区冶金系统的筒仓震害调查表明，柱支撑的筒仓的震害程度要高于筒壁支撑的筒仓。

本文，笔者以新疆托克逊地区某水泥熟料线Φ18 m×30 m熟料库为例，该地区抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.1 g。熟料库库底板以下采用两道通长混凝土墙体及4个混凝土柱共同支撑，考虑到该地区特有的砂石地貌，筒仓整体采用5 m深的箱型基础形式，混凝土柱净高9.9 m。考虑到地震作用的影响，采用C30混凝土，柱的最大压应力组合设计值约12 000 kN；考虑到抗震规范混凝土柱轴压比不得大于0.75的要求，采用钢筋混凝土结构时柱截面为1 000 mm×1 000 mm；考虑到工艺要求，库底板下的空间可作为电气控制室利用起来，几个大柱子放在电气室内部不利于工艺的布置，这种支承柱通常可视为轴心受压柱，为满足工艺的要求，降低混凝土柱的截面面积，可考虑采用钢骨混凝土柱。

钢骨混凝土结构是以钢结构为骨架，并外包以钢筋混凝土的埋入式组合结构。它既有钢筋混凝土结构的特点，又有钢结构的特点。随着我国建筑业的发展，钢骨混凝土柱在实际工程中的应用也越来越广泛。

根据钢筋混凝土所包的钢骨的不同，可将钢骨混凝土结构分为实腹式和空腹式两类。实腹式钢骨可由型钢或钢板焊接而成。空腹式钢骨构件的钢骨一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成。外包混凝土可以防止钢结构的局部屈曲，提高构件的整体刚度，不仅节约了钢材，还有效利用了钢材的强度。钢骨混凝土结构由于配置了钢骨架，构件的承载力得到大大提高，对于构件截面尺寸的减小极为有利，避免了形成肥梁胖柱。对于筒仓结构而言，构件截面减小可以增加使用面积，更好地满足了工艺使用的要求。特别是实腹式钢骨混凝土结构，它具有较大的延性和良好的抗震性能。钢骨混凝土在耐火度和耐腐蚀度等方面，具有维护费用低的优点，能够产生良好的社会效益和经济效益。

在轴心压力作用下的钢骨混凝土柱，钢骨与混凝土具有一致的变形协调性，他们作为整体共同承受外力，具体计算过程如下。

首先满足轴压比的要求。根据相关标准要求，当采用16Mn钢作钢骨时，轴压力用下式计算：

当采用用Q235钢作钢骨时，轴压力用下式计算：

式（1）和式（2）中，N为轴压力设计值，n为规范要求的轴压比限值， fc为混凝土的抗压强度，f ′s为钢骨的抗压强度，Ac为混凝土面积，As为钢骨的面积。

在正常情况下，钢骨混凝土柱的配筋率在6%左右是较为合理的。根据（1）式或（2）式，可以计算出柱及钢骨的截面尺寸。然后计算出柱中钢筋面积。根据钢与混凝土组合结构设计施工手册，有

对上述述例子，当采用Q345焊接工字钢钢骨混凝土结构（腹板400 mm×16 mm，翼缘450 mm×20 mm，截面面积244 cm2）时，经计算，柱截面为900 mm×900 mm，构造配筋即可满足要求，且比原柱截面面积降低36%。

二、采用钢纤维控制裂缝

钢筋混凝土圆形筒仓壁承受的主要是环向拉力，所以钢筋混凝土结构的仓壁、水平向的裂纹几乎是不可避免的。使用传统方法设计大直径混凝土筒仓时，为满足混凝土筒仓规范规定的最大裂缝宽度不得大于0.2 mm的要求，在满足抵抗水平力的基础上，需要增加50%甚至更多的钢筋，实际经济效益不佳。本文，笔者以江苏省新沂某水泥粉磨站Φ8 m×22 m水泥配料库为例，正常情况下，水泥配料库库壁筒仓壁的水平向钢筋若只需满足抵抗水平力的要求，则只需配置直径为8 mm的一级钢筋既可。但为满足控制裂缝的要求，实际上应配置直径为14 mm的二级钢筋。

在建造承受拉力的筒壁时，施工单位通常使用滑膜法施工。在混凝土中掺入钢纤维，增加了混凝土的和易性，可以有效控制混凝土裂缝的产生。在混凝土中掺入15%的钢纤维时，混凝土构件的最大裂缝宽度可减小40%，但钢纤维对裂缝间距影响不大。由于钢纤维对混凝土结构的加固是三维全截面的、整体的、且各向同性的，因此在混凝土中无论哪个部位，钢纤维都能起到加固作用。

传统建筑材料混凝土较为突出的缺陷就是其脆性，而且随着混凝土强度的增加，其延性也逐渐降低。钢纤维混凝土作为建筑材料建造混凝土筒仓结构，可明显改善混凝土的抗裂缝性能，对于控制混凝土筒仓壁裂缝具有明显的效果。