馬 瑞 斌

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

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18 m鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)分析

馬 瑞 斌

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

結(jié)合工程實(shí)例，從筒倉(cāng)基礎(chǔ)、倉(cāng)底支承結(jié)構(gòu)、倉(cāng)底漏斗、倉(cāng)壁設(shè)計(jì)等方面，闡述了18 m鋼筋混凝土筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，使筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

筒倉(cāng)，鋼筋混凝土，支承結(jié)構(gòu)

筒倉(cāng)是一種比較常見的工業(yè)散料儲(chǔ)存建筑。它被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、煤炭、電力等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也越來(lái)越高，所以筒倉(cāng)這種封閉式的倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)必將在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，也要求設(shè)計(jì)人員力求做到技術(shù)先進(jìn)、安全使用、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量。

筒倉(cāng)根據(jù)其平面幾何形狀的不同，可分為圓形倉(cāng)和方形倉(cāng)等多種形式；圓形筒倉(cāng)由于其結(jié)構(gòu)受力合理、存儲(chǔ)量較大，且經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于方倉(cāng)，所以在日常設(shè)計(jì)中較為常見；而方形筒倉(cāng)一般多以連排形式出現(xiàn)，在一些有特殊工藝要求的情況下使用。

筒倉(cāng)按照倉(cāng)壁高度及作用于倉(cāng)壁的側(cè)壓力計(jì)算方法不同，可分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)。當(dāng)筒倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)料的計(jì)算高度hn與筒倉(cāng)內(nèi)徑dn或矩形筒倉(cāng)的短邊bn之比不小于1.5時(shí)為深倉(cāng)；反之小于1.5時(shí)則為淺倉(cāng)。

本文僅以某18 m內(nèi)徑鋼筋混凝土筒倉(cāng)為例，對(duì)筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析、探討。

1 工程概況

根據(jù)工藝專業(yè)提供的相關(guān)資料和要求，本次設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)共分為三層：底層為倉(cāng)底支承結(jié)構(gòu)(即出煤層)，高度10.0 m；中間層為倉(cāng)體儲(chǔ)煤層，高度35.5 m；頂層為倉(cāng)頂配煤層，高度5.5 m；總高度為51.0 m。筒壁內(nèi)徑為18.0 m，筒壁厚度為300 mm，筒體頂部為錐殼結(jié)構(gòu)。本工程倉(cāng)底為汽車走煤，漏斗定量裝車，并在底層中部設(shè)控制室；倉(cāng)頂建筑為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓錐殼頂。場(chǎng)地地震烈度為7度，地震加速度為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋為HRB335級(jí)鋼筋。筒壁采用滑模施工。倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)料為原煤，儲(chǔ)料重力密度γ=10 kN/m3，儲(chǔ)料內(nèi)摩擦角φ=30°，儲(chǔ)料摩擦系數(shù)μ=0.5。

2 基礎(chǔ)

筒倉(cāng)一般豎向荷載都比較大，對(duì)地基承載力的要求也較高?；A(chǔ)形式可采用鋼筋混凝土環(huán)形基礎(chǔ)(+條形基礎(chǔ)或獨(dú)立基礎(chǔ))、鋼筋混凝土整片筏板基礎(chǔ)。如天然地基的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，大多采用換填、樁基等地基處理方法解決。筒倉(cāng)基礎(chǔ)要求整體性好，基底受力均勻，避免基礎(chǔ)的不均勻沉降。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)范及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)板厚度可取基礎(chǔ)短跨的1/6～1/5左右，基礎(chǔ)梁高度可取基礎(chǔ)長(zhǎng)跨的1/4～1/3左右，其計(jì)算結(jié)果一般以構(gòu)造配筋為主，基礎(chǔ)埋深一般不小于筒倉(cāng)高度的1/15。本工程基礎(chǔ)落在風(fēng)化巖層上，該層土地基承載力特征值為400 kPa，經(jīng)計(jì)算可采用整片鋼筋混凝土梁板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)梁斷面為800×2 000，基礎(chǔ)板厚度為1 000 mm。

3 倉(cāng)底支承結(jié)構(gòu)

倉(cāng)底支承結(jié)構(gòu)一般由外圍落地筒壁和內(nèi)部框架柱或混凝土墻共同組成(具體形式可根據(jù)倉(cāng)底的儲(chǔ)料運(yùn)輸方式和漏斗布置情況而定)。筒壁在入口處開洞較大，使筒壁剛度削弱較多。當(dāng)在地震力較小的地區(qū)，可在筒倉(cāng)中部設(shè)內(nèi)框架柱作為支承結(jié)構(gòu)；當(dāng)在地震力較大的地區(qū)，可在筒倉(cāng)中部通道兩側(cè)設(shè)混凝土剪力墻作為支承結(jié)構(gòu)，以增加筒體的整體側(cè)向抗震力。本工程倉(cāng)下運(yùn)輸方式為汽車裝車，4個(gè)漏斗對(duì)稱布置。根據(jù)上述條件確定本工程倉(cāng)底支承結(jié)構(gòu)由外圍落地筒壁和與進(jìn)車方向平行的三道剪力墻組成。外圍筒壁厚度為300 mm，中部剪力墻厚度為400 mm。汽車入口處門洞尺寸為4 000×5 000(h)，洞口兩側(cè)設(shè)800×800的扶壁柱，筒倉(cāng)中心位置即漏斗梁支座處設(shè)800×800的暗柱。通過(guò)計(jì)算底層結(jié)構(gòu)層間側(cè)向位移比為1/1 120，結(jié)構(gòu)配筋均為構(gòu)造配筋。

4 倉(cāng)底漏斗

倉(cāng)體的底部一般設(shè)置用于卸料的漏斗。漏斗的形式根據(jù)工藝要求可分為圓錐形漏斗、倒四角錐漏斗以及雙曲線緩沖漏斗等。漏斗主要由漏斗斜壁和支承漏斗的邊梁組成。漏斗斜壁在內(nèi)部?jī)?chǔ)料的豎向荷載作用下，生成平行于斜壁方向的拉力和垂直于斜壁方向的壓力(該壓力會(huì)對(duì)斜壁產(chǎn)生平面外的彎矩)，由這兩個(gè)力控制漏斗斜壁的配筋。漏斗壁厚度可取計(jì)算跨度的1/20～1/30，且不宜小于120 mm。支承漏斗的邊梁可視為漏斗支座，它將承受整個(gè)漏斗層的豎向荷載以及漏斗斜壁帶來(lái)的扭矩，漏斗斜壁的豎向鋼筋需全部在邊梁中錨固，其斷面可取計(jì)算跨度的1/3～1/5，通常按受壓構(gòu)件計(jì)算，并應(yīng)對(duì)漏斗梁進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。本工程倉(cāng)底設(shè)4個(gè)6.0 m×6.0 m的倒四角錐漏斗，漏斗高度為4.2 m，斜壁傾角為60°，內(nèi)設(shè)耐磨層。漏斗斜壁厚度為350 mm，其配筋為φ18@200雙層配置，斗口尺寸為1.0 m×1.0 m。漏斗梁支承在剪力墻及筒壁暗柱上，斷面為400×2 000，并在漏斗頂部相交處設(shè)防砸鋼軌，漏斗層與筒壁脫開用環(huán)梁連接。

5 倉(cāng)壁設(shè)計(jì)

倉(cāng)壁為與儲(chǔ)料直接接觸的筒倉(cāng)部分，其下部與倉(cāng)底漏斗層相連，上部與倉(cāng)上配煤層連接。當(dāng)倉(cāng)體直徑大于15 m時(shí)，倉(cāng)頂可以錐頂過(guò)渡與倉(cāng)上建筑相連。倉(cāng)壁部分以環(huán)向力為主，且應(yīng)分段逐層計(jì)算配筋。計(jì)算時(shí)應(yīng)先確定倉(cāng)壁的厚度，倉(cāng)壁厚度一般采用等截面布置，可按公式t=dn/100+100確定倉(cāng)壁厚度，對(duì)于內(nèi)徑為18 m的筒倉(cāng)壁厚可適當(dāng)加大，取300 mm～350 mm。當(dāng)倉(cāng)壁厚度滿足以上要求時(shí)，可不進(jìn)行撓度驗(yàn)算。倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用要求控制筒倉(cāng)的整體變形，并嚴(yán)格控制倉(cāng)壁的裂縫寬度，最大裂縫寬度允許值為Wmax=0.2 mm。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)料的物理特性，確定倉(cāng)壁在某一高度處的水平壓力和豎向壓力。根據(jù)GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范:儲(chǔ)料頂面或儲(chǔ)料錐體重心以下距離S處單位面積上的水平壓力為Pn；該截面處單位面積上的豎向壓力為Pv；該截面以上倉(cāng)壁單位周長(zhǎng)上的總豎向摩擦力為Pf；倉(cāng)壁宜配置內(nèi)外雙層配筋，環(huán)向每隔2 m～4 m設(shè)置一組焊接骨架筋。本工程中倉(cāng)壁厚度為300 mm，倉(cāng)壁豎

向均為構(gòu)造配筋,采用φ14@150雙層配置，每12°設(shè)一組骨架筋。水平配筋按距儲(chǔ)料頂面的深度S以5 m為間隔取5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m截面計(jì)算，配筋依次為φ12@150，φ14@150，φ16@150，φ18@150，φ20@150，φ20@100雙層配置，且將水平配筋延續(xù)至距倉(cāng)底以下1/6倉(cāng)壁高度范圍內(nèi)，兩層鋼筋網(wǎng)之間設(shè)拉結(jié)筋連接，拉結(jié)筋按梅花形布置。

Pn=Cnγρ(1-e-μks/ρ)/μ

(1)

Pv=Cvγρ(1-e-μks/ρ)/μk

(2)

Pf=ρ[γs-γρ(1-e-μks/ρ)/μk]

(3)

倉(cāng)壁尺寸及壓力示意圖見圖1。

6 倉(cāng)上建筑

倉(cāng)上建筑一般為倉(cāng)頂?shù)呐涿簩樱脕?lái)布置一些皮帶運(yùn)輸設(shè)備和除塵設(shè)備等；也有將動(dòng)篩設(shè)備置于倉(cāng)頂?shù)那闆r，但多用于群倉(cāng)中的某一個(gè)體。倉(cāng)上建筑只作為配煤層時(shí)，一般多為單層廠房，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；當(dāng)倉(cāng)頂加設(shè)動(dòng)篩設(shè)備時(shí)，一般為多層廠房，可采用筒壁支承的梁板結(jié)構(gòu)，以增加倉(cāng)上建筑的整體剛度，避免設(shè)備和結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。本工程倉(cāng)上為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱斷面為400×500，框架頂部為100 mm厚鋼筋混凝土錐殼,并用400×600的環(huán)梁與框架柱連接。

7 筒倉(cāng)的抗震計(jì)算

對(duì)筒倉(cāng)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都不是很深入。筒體結(jié)構(gòu)本身的抗震性能較好，且筒倉(cāng)內(nèi)部的儲(chǔ)料大多為散體。地震發(fā)生時(shí)，儲(chǔ)料對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的消能作用。所以當(dāng)倉(cāng)壁和倉(cāng)底整體連接時(shí)，倉(cāng)壁和倉(cāng)底可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)和倉(cāng)上建筑為筒倉(cāng)抗震計(jì)算的重點(diǎn)，可利用現(xiàn)有的計(jì)算程序?qū)ν矀}(cāng)進(jìn)行整體抗震分析。根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)為柱支承時(shí)，可按單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化計(jì)算。

8 結(jié)語(yǔ)

以上是本人在筒倉(cāng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些心得和具體工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，僅供讀者參考。文中所介紹的具體工程已全面投入使用，且使用效果良好；而關(guān)于筒倉(cāng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，還需要我們不斷的探索、研究。

[1] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

On design for 18 m reinforced concrete silo

Ma Ruibin

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

Combining with the engineering examples, the paper illustrates the design methods for the 18 m reinforced concrete silo from the silo foundation, silo support structure, silo support funnel, and silo wall design, and sums up the precautions in the design process, so as to ensure the structural design to meet the demands of the use.

silo, reinforced concrete, support structure

1009-6825(2016)13-0040-02

2016-02-20

馬瑞斌(1979- )，男，工程師

TU375

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