一种新型半架空钢筋混凝土浅圆仓的理论分析及应用

曹利岗 席 达 赵小燕

1河南工大设计研究院（450001） 2 河南建筑职业技术学院（450007）

0 前言

浅圆仓是一种节地储粮仓型，既满足粮食储备的性能要求，又能快速机械化进出粮，目前在粮食行业已得到广泛应用[1]。浅圆仓有两种形式：地下通廊式、架空式。此两种浅圆仓统称为常规浅圆仓。

地下通廊式浅圆仓是最早形成的浅圆仓形式。其优点是相对经济，缺点是地下通廊易漏水易积灰。近年来，随着泄爆要求越来越严，给地下通廊的设计带来较大难度，现在建设的越来越少。

架空式浅圆仓是对地下通廊式浅圆仓的改进，把地下通廊上提至地面，让仓体架到空中。优点是解决地下通廊漏水及泄爆问题，缺点是清仓设备进入仓内需要设置架空坡道，或利用吊举装置把清仓设备引入。架空式浅圆仓即占用用地空间又加大建设投资，安全作业隐患较多。

鉴于此，文章介绍一种新型半架空、用于存储散粮的多功能粮仓。与架空式浅圆仓相比，半架空浅圆仓更加经济和方便，解决了架空式浅圆仓的清仓设备进仓难问题和土方量大的问题。与地下通廊式浅圆仓相比，半架空浅圆仓更加合理和安全，解决了地下通廊式浅圆仓的地下漏水问题和粉尘泄爆问题。

1 工程概况

钢筋混凝土新型半架空浅圆仓，仓直径28 m，浅圆仓直段高27.1 m，仓壁厚为250 mm，环梁尺寸为500 mm×800 mm，底部支撑柱尺寸为750 mm×750 mm，仓底板厚度为500 mm，仓内填装的贮料为大豆，其重力密度为ρ=7.5 kN/m3，内摩擦角25°，贮料对仓壁的摩擦系数μ=0.4。

考虑到场地地块内有一坡度为7°的斜坡场地，浅圆仓的支承方式上分为两种，一种是将场地平整完毕，在没有坡度的平地上采用传统仓型，即用仓壁和支撑柱将浅圆仓上部仓体托起，仓底不与地面直接接触，形成一种完全架空的浅圆仓，此种做法为目前国内外传统的做法。文章中考虑一种创新做法，即在有坡度的场地，利用其天然坡度，将一半仓底直接落在斜坡上，另一半仓底板用仓壁和支撑柱架起，整个仓体由仓壁、支撑柱和斜坡地面共同撑起，形成柱壁+ 地面的支撑形式。此种浅圆仓结构形式为一种新的仓型，被人们称之为半架空浅圆仓。

2 有限元计算

2.1 半架空浅圆仓的有限元模型建立

半架空浅圆仓相关参数如下:直径28.0 m，浅圆仓直段高27.10 m。采用ABAQUS 程序对浅圆仓满仓时的荷载条件进行有限元静力分析，浅圆仓壳壁采用C3D8R 实体单元模拟，仓底平台及支柱采用C3D10 四面体单元模拟，钢筋混凝土弹性模量取值为E=3.7×104 N/mm2，泊松比取0.2，质量的密度取2 500 kg/m3。仓壁底部、底板无柱支撑底部（直接支撑于基础）及柱底采用固支的边界条件。

2.1.1 荷载条件

恒荷载DL 取值:荷载分项系数取1.3，仓顶恒载为0.5 kN/m2，钢筋混凝土构件自重为2 500 kg/m3；

活荷载取值:散料的荷载分项系数取1.3，其他取1.5 仓顶活载LL1 为4 kN/m2，散料荷载LL2。

作用于仓壁水平压力最大值:

作用于仓底底板:pv=γs=7.5×22.6=169.5 kN/m2

雪荷载SL:0.35 kN/m2；

风荷载W:结合当地实际情况，基本风压取0.4 kN/m2。风压高度变化系数取1.342。

风荷载体型系数按下面规定取值。

对于作用于单个圆柱形浅圆仓仓壁的风荷载，如下式所示。

其中，dc为浅圆仓直径，H 为浅圆仓高度。迎风面30°范围内风荷载对仓壁的作用为压力，其他区域风荷载对仓壁的作用为拉力。

风荷载标准值:wk=1.0×1.342×0.4×us=0.54uskN/m2

其中，us在ABAQUS 中通过定义函数的形式实现。

荷 载 组 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 有限元分析结果

浅圆仓仓壁在荷载组合作用下沿圆周方向的应力分布，最大拉应力值为4.281 MPa，出现在底部平台与仓壁连接区域。需要说明的是，虽然此应力值超过了混凝土的允许拉应力值，但由于钢筋的作用，截面产生的拉应力主要由钢筋承担，仓壁环向配筋换算为钢筋的应力值，小于钢筋的允许应力值，满足规范要求。环梁在荷载组合作用下沿圆周方向的应力分布，最大拉应力值为1.919 MPa。仓壁沿圆周方向的位移分布，最大位移值为0.437 mm，出现在仓顶靠近开洞区域，远小于规范允许值，满足规范要求。仓壁沿竖直方向的位移分布，最大位移值为4.143 mm，出现在仓顶板中部区域，小于规范允许值10 592/400=26.48 mm，满足规范要求[2]。

仓底板及支柱在荷载作用下水平X 方向及水平Z 方向的应力分布，最大拉应力值为14.762 MPa，出现在柱与底板连接部位，由作用于底板的贮料荷载引起的负弯矩引起。虽然此应力值超过了混凝土的允许拉应力值，但由于钢筋的作用，截面产生的拉应力主要由钢筋承担，换算为钢筋的应力值，小于钢筋的允许应力值，满足规范要求。仓底板及支柱竖直方向的位移分布，最大位移值为3.039 mm，出现在支柱之间的板带中央部位，小于规范允许值4 500/400=11.25 mm，满足规范要求。仓底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值仅为0.312 mm。

2.2 常规浅圆仓的有限元模型建立

本节采用ABAQUS 程序对浅圆仓满仓时的荷载条件进行有限元静力分析。相关几何参数及单元网格划分同本文2.1 节。

2.2.1 荷载条件

恒荷载、活荷载、风荷载、散料荷载取值同本文2.1 节。

2.2.2 有限元分析结果

浅圆仓仓壁在荷载组合作用下沿圆周方向的应力分布，最大拉应力值为4.86 MPa，出现在底部平台与仓壁连接区域。需要说明的是，虽然此应力值超过了混凝土的允许拉应力值，但由于钢筋的作用，截面产生的拉应力主要由钢筋承担，仓壁环向配筋换算为钢筋的应力值，小于钢筋的允许应力值，满足规范要求。环梁在荷载组合作用下沿圆周方向的应力分布，最大拉应力值为2.039 MPa。仓壁沿圆周方向的位移分布，最大位移值为0.344 mm，出现在仓顶靠近开洞区域，远小于规范允许值，满足规范要求。仓壁沿竖直方向的位移分布，最大位移值为4.498 mm，出现在仓顶板中部区域，远小于规范允许值11 034/400=27.58 mm，满足规范要求。

仓底板及支柱在荷载作用下水平X 方向及水平Z 方向的应力分布。最大拉应力值为18.07 MPa，出现在柱与底板连接部位，由作用于底板的贮料荷载引起的负弯矩引起。虽然此应力值超过了混凝土的允许拉应力值，但由于钢筋的作用，截面产生的拉应力主要由钢筋承担，换算为钢筋的应力值，小于钢筋的允许应力值，满足规范要求。仓底板及支柱竖直方向的位移分布，最大位移值为4.48 mm，出现在支柱之间的板带中央部位并且小于规范的允许值5 800/400=14.5 mm，满足规范要求。仓底板及支柱沿水平方向的位移分布，最大位移值仅为0.475 mm。

3 两种仓下支承的模型对比分析

在满仓工况下，分别进行半架空浅圆仓和常规浅圆仓弹性分析，得出同工况下两者仓壁、仓底板和环梁除的最大拉力、最大位移矢量。计算结果见表1 和表2。

表1 浅圆仓各部位最大拉应力值

表2 浅圆仓各部位最大位移值

根据模拟结果并结合相关规范可知，采用两种支承方式的钢筋混凝土浅圆仓结构稳定可靠，关键部位的最大拉应力和最大位移值均未超限。

从表1 可以看出，采用半架空浅圆仓在仓壁、环梁、仓底板处所受的拉力均比常规浅圆仓支撑方式的要小。

从表2 可以看出，采用半架空浅圆仓除了仓壁沿圆周方向的位移稍大，仓壁的竖向位移、仓底板的竖向位移和水平位移均比采用柱壁支撑方式的浅圆仓要小。

4 结语

通过模拟同种工况下两种支承方式的钢筋混凝土浅圆仓受力情况，并对模拟结果进行分析，可得到如下结论[3-5]。采用半架空浅圆仓的支承方式，钢筋混凝土浅圆仓在仓壁、环梁、仓底板等关键部位的受力情况要优于同工况下常规浅圆仓支撑方式的浅圆仓。在同工况下，半架空浅圆仓在仓壁、底板等关键部位的最大位移值大多小于采用柱壁支撑方式的浅圆仓。但半架空浅圆仓在仓壁沿圆周方向位移较采用常规浅圆仓的要大。建议在实际工程中应注意对此位置位移量的验算，以防止超限。

综合上述结论可以判断，采用半架空浅圆仓的浅圆仓可依托坡地地势建造、大幅节约土地成本、节省土方量的同时，在同工况下受力性能优于常规浅圆仓。结合实际工程，文章为采用半架空浅圆仓的选择提供了科学依据，为实际工程提供了更经济合理的结构形式。