钢筋混凝土圆形筒仓有限元分析*

王远坤

(大峘集团有限公司， 江苏 南京　211112)



钢筋混凝土圆形筒仓有限元分析*

王远坤

(大峘集团有限公司， 江苏 南京211112)

通过某钢筋混凝土矿渣微粉仓的设计总结，简述了钢筋混凝土筒仓的使用范围，探讨钢筋混凝土筒仓的尺寸与仓壁厚度及配筋的关系，以及温度对配筋的影响。

钢筋混凝土筒仓； 深壁浅仓； 壁厚； 贮料压力； 配筋设计

引言

筒仓是用来贮存散体物料的一种理想的常用仓型，它占地面积小，仓容量大，便于机械化作业。因此，在电力、粮食、煤炭、水泥、冶金等行业中有着广泛的应用，特别是在冶金行业更为突出。按存储的物料可分为原煤仓、煤粉仓、矿渣仓、石灰仓等。筒仓可分为浅仓和深仓。对浅仓与深仓的分类法有：按高径比分类和按破裂面分类等多种，其中最简单、且被广泛采用的方式为： 当高径比小于1.5时为浅仓； 当高径比( 或高宽比) 大于或等于1.5时为深仓[1]。贮料的侧压力是散装仓设计的重要参数，其计算正确与否直接关系到仓体结构是否安全、可靠、经济、合理。世界上很多国家都出现过大量筒仓仓体破裂或倒塌的事故，中国也不例外，而这些事故大都是由于设计时荷载考虑不足引起的，造成了巨大的损失。另外，当筒仓贮存热物料时，尤其物料温度在60℃左右时，钢筋混凝土的抗拉强度和弹性模量均有明显降低，此温度下所引起的变形增量，收缩和徐变加剧，尤其钢筋与混凝土之间粘结力的变化，容易产生裂缝，不应忽视。常规计算方法很难考虑温度的影响，采用Midas等有限元软件可以较为准确地计算温度应力，温度裂缝。

特别在冶金行业，随着钢铁生产规模的不断提高，煤作为主要的辅助材料，储煤筒仓也朝着大型化的趋势发展。万吨级容量的筒仓习惯性称为大型筒仓。中国的大型储煤筒仓大部分采用钢筋混凝土结构，在贮料荷载的作用下，仓壁和漏斗壁的环向拉力较大，为满足正常使用阶段抗裂验算的要求，往往需要很大的截面配筋，尽管如此，仓壁的裂缝仍难以控制在合理的范围内。因此，设计人员提出采用预应力仓壁，充分利用混凝土的抗压强度和高强钢丝、钢绞线抗拉强度高的特点，对仓壁施加预应力，用高强度钢材来承担仓壁的环向拉力，防止开裂，达到减小壁厚，节省大量混凝土及钢材的目的。所以，设计者在钢筋混凝土筒仓的结构设计中，在贯彻执行国家技术经济政策前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量是非常必要的。

1　布置及结构选型

1．1布置原则

(1)筒仓的平面布置应根据下列主要条件进行技术经济比较后确定。

①工艺条件：包括筒仓容量、斗壁最小倾角、贮料特性资料、装卸方式以及其他要求。

②地形条件：特别是在山区、矿区建造筒仓时，往往可充分利用地形条件取得比较满意的经济效果。

③工程地质条件：建造筒仓地段必须具有详细的岩土工程勘察报告，并根据当地的地质情况选取合适的筒仓布置方案及地基基础设计方案。

(2)筒仓的平面形状，宜优先选用圆形。圆形筒仓与矩形筒仓相比，具有体形合理、仓体结构受力明确、计算构造简单、仓内死料少、有效贮存率高等优点，经济效果显著。对现浇钢筋混凝土圆形仓，更便于滑模连续施工。

(3)布置群仓宜选用单排布置或多排行列式布置。钢筋混凝土圆形群仓，宜选用仓壁和筒壁(仓下支承结构)外圆相切的连接方式，以便于施工和配置钢筋。

(4)特殊筒仓布置。直径大于18 m的钢筋混凝土圆形筒仓，因单仓荷载较大，不宜采用群仓布置方案，目的是防止地基土产生不均匀沉降，以免带来设计处理上的困难。钢筋混凝土圆形筒仓的仓壁和筒壁外圆相切的群仓，当总长度超过50 m时，以及柱子支承的矩形群仓，当总长度超过36 m时，均应设置伸缩缝，以避免由于温差和混凝土收缩作用使筒仓结构产生超过规定的变形和裂缝。对于直径大于10 m的圆形筒仓，仓顶上不宜布置有筛分设备的建筑。

图1　圆形仓布置图

图2　矩形仓布置图

1.2结构选型

筒仓结构一般由六部分组成，即：仓上建筑物、仓顶、仓壁、仓底、仓下支承结构(筒壁或柱)、基础。

(1)仓壁。直接承受贮料水平压力的竖壁。

(2)仓底。直接承受贮料的垂直压力。应综合考虑：①卸料畅通；②荷载传递明确， 结构受力合理；③造型简单，施工方便；④填料较少。

仓底形式最常用的方式有整体连接式和非整体连接式：整体连接，仓底与仓壁整体浇筑，整体性较好，但不利于滑模施工，计算较复杂；非整体连接，仓底与仓壁分开布置，仓底通过边梁(或环梁)支承于筒壁壁柱上，也可与仓壁完全脱开，简化了计算，便于滑模施工。

(3)仓顶。钢筋混凝土圆形筒仓的仓顶可采用梁板结构，当dn≥15 m时可采用钢筋混凝土正截锥壳、正截球壳等结构形式。

(4)仓上建筑物。仓顶以上建筑物，有单层或两层以上的厂房，一般布置有送料设备以及除尘设备等。

(5)仓下支承结构。仓壁、仓底和基础之间的承重结构，须具有足够的强度和稳定性。有柱子支承、筒壁支承、筒壁和内柱共同支承等形式。

(6)基础。独立筒仓一般采用扩展基础、环板基础、筏板基础等；当筒仓荷载较大，采用天然地基又不能满足变形要求时，一般应采用桩基础。

2　工程实例

本文选取的筒仓工程实例是南京某矿渣微粉厂圆形筒仓，该仓直径18 m，容量10500 t，构筑物总高度45 m，仓壁厚300 mm，筒壁厚300 mm，C35钢筋混凝土。

图3　南京某矿渣微粉仓断面图

2.1荷载和荷载组合

(1)筒仓结构设计时，应考虑下列荷载：

①永久荷载：结构自重、其他构件及固定设备施加在仓上的作用力、预应力、土压力、填料及环境温度作用等。

②可变荷载：平台及楼面活荷载(3.0 kN/m2)、贮料荷载、仓顶屋面活荷载(3.0 kN/m2)、可移动设备荷载、固定设备中的活荷载及设备安装荷载、积灰荷载(1.0 kN/m2)、筒仓外部的堆料荷载以及管道输送产生的正、负压力等。

③风荷载：基本风压(0.40 kN/m2)。风荷载计算时，风载体形系数，对圆形单仓的仓壁和筒壁采用0.6，对矩形仓和仓壁相连的群仓采用1.3。

④地震荷载：本项目所在地区抗震设防烈度为7度[2]，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比为0.05。地震水平力计算时，取贮料总重的80%作为贮料的有效重量，而重心仍取满仓时的贮料总重的重心。

(2)荷载组合，并应取其最不利者进行设计。

当地震荷载与下列荷载组合时：恒载，取1.0；贮料荷载，有顶盖时取0.9，无顶盖时取1.0；雪荷载，取0.5；积灰荷载，取0.7；楼面活荷载，按等效均布荷载考虑时，取0.5～0.7，按实际情况考虑时，取1.0；风荷载一般不用考虑。

荷载效应基本组合的设计值，其荷载分项系数按下列规定选用：结构自重，取1.2；贮料荷载，取1.3；楼面及平台活荷载，取1.3(标准值>4 kN/m2)；屋面活荷载，取1.4；雪荷载，取1.4；风荷载，取1.4；地震作用，取1.3。

2.2计算结果

图4　Midas Sig-max应力图

图5　Midas DXY位移图

图7　Midas Fmax内力图

3　结　论

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方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。以本文矿渣微粉库为例，正常情况下，仓壁的水平方向钢筋若只需满足抵抗水平力的要求，则只需配置直径为14 mm的三级钢筋既可。但为满足控制裂缝的要求，实际上应配置直径为22 mm的三级钢筋。在建造承受拉力的筒壁时，施工单位通常使用滑模法施工。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。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。

对于贮存高温贮料的钢筋混凝土筒仓，仓壁温度作用效应同时作用在仓壁的水平和垂直方向, 对仓壁的水平配筋和竖向配筋均有影响。当仓壁内、外壁温差大于30℃时, 应综合考虑材料强度和弹性模量的折减、施工技术措施，缓解温差对仓壁开裂的影响。

4　结束语

有限元软件在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，可以预见，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，以Midas为代表的通用有限元软件，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用。

[1]邱立超，陈庆国．钢筋混凝土筒仓结构设计分析[J]．产业与科技论坛，2011；10(4)：99—101．

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010-2010．建筑抗震设计规范[S]． 2010．

[3]张少坤．大直径钢筋混凝土筒仓温度荷载和贮料荷载作用有限元分析[D]．武汉：武汉理工大学，2008．

2015-08-12

TU249.3