某试验型钢筒仓受力性能及案例分析

牛 伟

(北京中核四达工程设计咨询有限公司，北京 100038)

1 概述

随着国民经济的快速发展，我国对煤粉、水泥熟料、氧化铝粉等大宗散货的进口需求不断提升，继而使我国港口的吞吐量跃居世界前列。尽管我国大宗散货生产技术水平不断进步，并在局部领域已处于国际领先地位，但其生产工艺和装备的整体条件依旧落后，尤其在低能耗、低污染、高效率装卸设备的研发和物料储运模式等基础研究方面，与国际领先技术仍存在较大差距，继而制约了我国大宗散货生产系统及模式的创新发展，不利于国家节能减排及相关政策的制定。

研究大宗散货的封闭存储技术是确保港口散货可封闭存储的重要保障。筒仓作为一种密封储存大宗散货的方式，是未来散货储运的发展趋势，愈发受到人们的重视。筒仓分为钢筋混凝土筒仓和钢筒仓两种。钢筋混凝土筒仓存在混凝土用量大、建设周期长、投资大等缺点，正逐步被钢筒仓取代；钢筒仓拥有自重小、可充分发挥钢材的受拉性能、施工方便、地基处理费用低、外形美观等优点，得到广泛应用[1，2]。

2 工程概况

论文研究的钢筒仓工程位于北京某试验基地。建筑物为圆形钢筒仓，直径为8 m，高为19.4 m。仓顶采用圆锥壳，仓壁采用加劲肋，仓底采用圆锥漏斗，如图1，图2所示。筒仓在标高4.900 m处通过检修平台与旁边供料塔相连。供料塔中的散货物料，通过物料传输带给钢筒仓供料。试验结束后，物料由筒仓底部卸料口排出，再经物料传输带运送至料坑。

3 结构布置及抗震等级

经多方案分析比选后确定，仓下支撑结构采用钢筋混凝土框架结构，仓底、仓壁、仓顶采用钢结构。结合筒仓试验的多样性、灵活性，仓底漏斗采用活动式可拼接钢板，拆装便利。筒仓需考虑卸压因素[3]，仓顶采用可掀式活动屋顶。栈桥及其上的物料传输带由供料塔斜拉支撑，其荷载不施加至仓顶。

建筑物总高度为19.4 m，查阅《建筑抗震设计规范》[4]和《钢筒仓技术规范》[5]，仓下支撑混凝土结构抗震等级为二级，钢筒仓结构的安全等级为二级。

4 结构模型建立

采用盈建科建筑结构设计软件V2016版对筒仓进行结构建模和计算分析。结构整体计算模型如图3所示。

5 结构计算

5.1 计算参数

贮料荷载主要包括三种，分别为作用在仓壁上的水平压力和竖向摩擦力，以及作用于仓底或漏斗顶面单位面积上的竖向压力。通过分析项目特点，确定筒仓深仓贮料水平压力修正系数Ch、深仓贮料竖向压力修正系数Cv、贮料的重力密度γ等主要控制参数，从而形成作用在仓壁上的两种荷载和仓底的均布面荷载。

经计算并且查阅《钢筒仓技术规范》，主要控制参数如下：

深仓贮料水平压力修正系数Ch取2.0，深仓贮料竖向压力修正系数Cv取2.0，贮料的重力密度γ取10 kN/m3(贮料为煤粉、木薯干、大豆，取高值)，筒仓水平净截面的水力半径ρ=dn/4=2 000 mm，贮料与仓壁的摩擦系数μ取0.40(煤粉、大豆对钢板的摩擦系数分别为0.40,0.30[6])，贮料的内摩擦角取40°(煤粉、木薯干、大豆的内摩擦角分别为25°～30°,41°～44°,25°)。

混凝土强度等级采用C30。型钢采用Q235B，钢板采用Q345B。

5.2 计算结果

1)轴压比μN=N/fcA=0.56<0.85，符合要求[4]。

2)柱冲切。筒仓下部支撑结构框架柱顶端布置柱帽(1 200 mm×1 200 mm×400 mm)，柱根对柱帽、柱帽对托板的冲切效应最大比值分别为0.32，0.50，符合要求[7]。

3)整体抗倾覆验算。建筑高宽比H/D<4，结构基础底面与基础之间零应力区面积小于15%，符合要求[5]。

4)整体稳定性验算。钢筒仓需计算整体稳定性，结构刚重比Di×hi/Gi>10，符合整体稳定验算要求[8]。同时，结构刚重比Di×hi/Gi>20，可不考虑重力二阶效应。

5)仓底基础及基础沉降。筒仓采用钢筋混凝土筏板基础，按荷载标准组合，基底最大压力值pk=212 kPa，基底压力图如图4所示。经查阅地质勘察报告，现场地基承载力不满足要求，设计提出采用直径D=450 mm，间距为1 200 mm，长度为10 m的水泥粉煤灰碎石桩对现场地基进行处理，处理后复合地基承载力特征值fa=262 kPa。pk≤fa[9]，符合要求。

从基础位移等值线云图(如图5所示)得知，结构基础平均沉降量为7 mm<200 mm，且基础倾斜率k=Δh/R=7.8×10-5<2×10-3，均符合要求[5]。

6 结构受力性能分析

6.1 仓体面外荷载分析

通过筒仓仓体面外荷载图分析，筒仓在装载贮料后，仓壁受到的荷载作用自上而下沿贮料深度逐渐增加而增大，仓壁上部最小，压力为3 kN，下部达到最大，压力为104 kN，荷载图呈倒锥形分布，如图6所示。

6.2 加劲肋分析

在钢筒仓结构中，加劲肋可抵抗风、地震、内装贮料的侧向荷载，增加仓体的稳定性，以及承受部分竖向荷载。除高度低、直径小的钢筒仓外，其余钢筒仓均设置加劲肋，加劲肋的下部应与下部支撑结构混凝土板牢固连接[6]。项目选用沿仓壁全高的方式设置加劲肋，沿圆形筒仓圆心15°角依次设置。加劲肋间距为1.05 m。

通过筒仓墙体应力云图分析，筒仓在装载贮料后，在贮料的水平压力的作用下，仓壁将向外移动。当不设置加劲肋时，水平侧压力完全由仓壁环向拉力平衡；当设置加劲肋时，与仓壁钢板连接为一体的加劲肋限制了仓壁的向外移动。从贮料顶面起，仓壁应力沿仓壁竖向自上而下随贮料深度加大而逐渐加大，到筒体根部时仓壁承受拉力达到最大，如图7所示。

6.3 环向拉梁分析

筒仓中环向拉梁的作用是抵抗周向压应力和由仓斗传给环向拉梁的径向拉应力，以及确保竖向加劲肋的稳定性。钢筒仓内存储的大宗散料作用在漏斗壁上的内压及向下摩擦力均导致漏斗壁产生沿母线方向的拉力。

通过筒仓墙体应力云图分析，在设置环向拉梁的位置处，仓壁受到的应力较小。因此，环向拉梁有利于提高钢筒仓的强度和稳定性。此外，沿筒仓高度设置环向拉梁不仅可约束仓壁的向外移动趋势，而且可很大程度上削弱仓壁所受拉力，确保环梁与仓壁协同受力、合理工作。

7 结构设计

按照上述结构计算及受力分析结果，提出如下设计方案。筒仓下部支撑结构采用6根直径为900 mm的钢筋混凝土立柱，立柱间采用规格为1 700 mm×900 mm的钢筋混凝土环梁连接，支撑平台板采用900 mm厚的现浇钢筋混凝土楼板。基础采用钢筋混凝土筏板基础，基础底板厚度为1 000 mm，挑出宽度为2 400 mm，如图8所示。地基采用水泥粉煤灰碎石桩，直径为450 mm，间距为1 200 mm，长度为10 m。

仓壁采用10 mm厚的焊接钢板，加劲肋采用2根16a槽钢依次按筒仓平面圆心15°设置，且在仓壁外侧沿竖向每隔2 500 mm设一道规格为16a槽钢环梁，如图9所示。

8 结语

1)钢筒仓因其自重小、可充分发挥钢材的受拉性能、施工方便、地基处理费用低、拥有外形美观等优点，愈发受到人们青睐。

2)对钢筒仓建模时，应先查明筒仓内贮料种类，并确定贮料输入的相关物理参数。并针对筒仓下部支撑结构的轴压比和柱冲切、整体结构的抗倾覆和稳定性、基础沉降进行计算。

3)随着筒仓内贮料深度的加大，筒仓仓壁所受拉力沿竖向自上而下逐渐增大，至仓壁根部达到最大值。故筒仓根部与下部支撑结构的锚固连接是工程设计的关键环节。

4)沿竖向设置环向拉梁，可有效约束仓壁压力和位移。