馬夢云 ，唐敢 ,，尹凌峰 ，莊紅

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016;2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；3.山東財富縱橫置業(yè)有限公司，濟南 250001）

1 引言

筒倉結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工等諸多領(lǐng)域中的散料儲存[1]。隨著糧食流通體制的不斷改革，具有中轉(zhuǎn)、存貯功能的筒倉得到了更為深入的研究和應(yīng)用，特別是容量較大的筒倉,大型化和超大型化是糧食筒倉發(fā)展的趨勢[2]。

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的國內(nèi)外超大型筒倉多為鋼筋混凝土倉（高度可達到60多米）[3]。隨著鋼筒倉的不斷發(fā)展，雖然出現(xiàn)了倉容超過了10萬噸（直徑達到100m）的落地式鋼筒倉，但大部分鋼筒倉的倉容小于1.6萬噸。由于儲糧荷載的大小與筒倉高度直接相關(guān)[1]，因此鋼筒倉倉容的發(fā)展主要是采用增大直徑的方法，這顯然不利于節(jié)省使用土地。同時，目前鋼筒倉的保溫設(shè)計大多數(shù)采用外涂保溫材料，雖然在能一定程度上起到保溫效果，但不能參與整體受力，且價格不菲[10]。怎樣協(xié)調(diào)鋼筒倉保溫性及其經(jīng)濟性,是筒倉研究的熱點與難點。

圖1 超大型圓臺狀鋼-索-竹組合式筒倉示意圖

本文研究的超大型圓臺狀鋼-索-竹組合式筒倉主要是由環(huán)梁和立柱組成的鋼骨架、竹材倉壁板、倉頂、鋼索組成，示意圖如圖1。該筒倉可通過調(diào)整自身的桿件布置、材料分布等方式很好地完成儲料荷載作用下的傳力路徑的自調(diào)節(jié)過程，同時通過“立體通風(fēng)+隔熱導(dǎo)溫”方式來達到溫度調(diào)控的目的。該新型筒倉已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)[4]。

其中，筒倉鋼骨架結(jié)構(gòu)除了可以很好地約束筒倉整體和竹材倉壁板的變形外，還為竹材倉壁板提供邊框[5]。筒倉結(jié)構(gòu)主要受儲料荷載的作用，而且一般作用時間比較長[6]；同時考慮圓臺狀倉壁傾角較小且對網(wǎng)格劃分無太大影響，因此本文對圓形筒倉結(jié)構(gòu)進行儲料荷載作用下的有限元模擬，通過參數(shù)計算，對鋼骨架結(jié)構(gòu)體系進行初步選擇和分析，得到合理的網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格尺寸和桿件截面。

2 有限元模型建立

本文以115英尺的圓形筒倉為算例進行鋼骨架結(jié)構(gòu)的選型分析，筒倉直徑D=35.052m，高H=32m。

按筒倉分類，本文筒倉為淺倉，儲料荷載的計算方法見《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》[1]。對鋼骨架施加儲料荷載的方式為：將筒倉不同高度處竹材倉壁板的受力簡化為點荷載施加在對應(yīng)高度處環(huán)梁節(jié)點上。本筒倉主要用于儲存糧食，按大豆計算，其容重γ=7.5kNm3，大豆與竹板的摩擦系數(shù)為0.2。

3 鋼骨架的布置方式

3.1 環(huán)梁布置方式

本節(jié)對環(huán)梁布置的方式進行了一定的初步調(diào)查和研究，主要將他們分成了兩大類，①環(huán)梁沿全高均勻分布，間距分別為4m、2m、1m；②底部局部加密0～16m間距2m，16～32m間距4m；0～16m間距1m，16～32m間距2m。共建立五個基本計算模型，僅僅對儲料荷載下的筒倉強度這一問題進行了分析，通過進行調(diào)整每一道環(huán)梁截面的尺寸，并將其環(huán)向最大應(yīng)力比例盡量控制在0.8～0.85之間，從而得出了不同計算模型的總用鋼量分別為 159t、171t、173t、173t、177t。

可知：考慮竹板的承載力及尺寸問題，環(huán)梁間距宜控制在1～2m之間；環(huán)梁間距對結(jié)構(gòu)用鋼量影響不大。

3.2 立柱布置方式

在倉頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件的在允許應(yīng)力范圍以內(nèi)的情況之下，環(huán)梁是按3.1節(jié)較優(yōu)布置，對立柱按不同的布置方案進行了優(yōu)化分析。對倉壁板來說，儲料產(chǎn)生的法向側(cè)壓力是對稱分布的，因此不考慮其穩(wěn)定問題，僅將立柱作為壓彎構(gòu)件考慮其強度問題。立柱考慮采用變截面H型鋼。得到在此模型下立柱布置為48根較節(jié)省。

3.3 梁柱整體布置方式

本節(jié)在2、3節(jié)布置方案粗略的計算分析上，選擇48根立柱進一步優(yōu)化：

優(yōu)化方案一：0～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

優(yōu)化方案二：1.5～7.5m內(nèi)環(huán)梁間距1m；7.5～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

對兩種優(yōu)化方案下計算模型按3.1節(jié)中方法進行有限元計算分析，不同標(biāo)高處環(huán)梁與立柱的截面尺寸及其最大應(yīng)力比。

可知：兩個方案的總用鋼量基本相同，用鋼量的不同主要在筒倉底部處；優(yōu)化方案一中筒倉節(jié)點徑向位移比優(yōu)化方案二大，但是相差不多，方案一的最大值為20.439mm、方案二的為20.131mm；優(yōu)化方案一的桿件數(shù)少于優(yōu)化方案二；綜合考慮，方案一為該算例下鋼骨架結(jié)構(gòu)較優(yōu)布置方式。

4 結(jié)語

本文介紹了超大型鋼-索-竹組合式筒倉的結(jié)構(gòu)形式，并對儲料荷載下圓形筒倉鋼骨架結(jié)構(gòu)體系進行了有限元模擬分析，建立了多個模型，得到了算例筒倉鋼骨架結(jié)構(gòu)的較優(yōu)選型，主要結(jié)論如下：①環(huán)梁的布置方式：1～2m為環(huán)梁較適宜間距；考慮到環(huán)梁與立柱連接方式，可通過局部加密的方法來減小環(huán)梁截面的尺寸。②立柱的布置方式：立柱布置方式改變對結(jié)構(gòu)強度影響不大，可根據(jù)實際要求改變柱的布置方式以適應(yīng)環(huán)梁截面尺寸。③此算例下較優(yōu)布置方式為：0～16m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m、16～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m，立柱沿環(huán)向均勻布置48根（方案一），因為此時立柱和環(huán)梁總用鋼量較小，桿件數(shù)較小，節(jié)點徑向位移較小。