申坤

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

料倉(cāng)一般采用框架梁式（混凝土或鋼結(jié)構(gòu)）支撐形式，料倉(cāng)的高度經(jīng)常是大于支撐框架的高度。對(duì)料倉(cāng)框架上部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，常常遇到這樣的問(wèn)題：如何精確地把作用在料倉(cāng)荷載（包括倉(cāng)筒自重、貯料重量、地震作用及風(fēng)荷載）傳遞到支承框架上？陳春[1]應(yīng)用SATWE 軟件對(duì)計(jì)算料倉(cāng)框架的兩種方法進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)使用推導(dǎo)荷載并加附加力的方法，其計(jì)算結(jié)果是安全的；采用模擬方法計(jì)算自振周期比較接近現(xiàn)狀。金德林[2]介紹運(yùn)用PKPM 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建模計(jì)算料倉(cāng)時(shí)的參數(shù)設(shè)置。賀寶林等[3]通過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。蔡琳[4]通過(guò)分析倉(cāng)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，說(shuō)明概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性。汪楨[5]通過(guò)工程實(shí)例，介紹料倉(cāng)框架計(jì)算模型的選定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求。目前的研究更多地是針對(duì)料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)選型和計(jì)算方法，而解決上述問(wèn)題的研究還未見(jiàn)可供參考的案例。本文提供一個(gè)料倉(cāng)的鑒定項(xiàng)目，運(yùn)用PKPM 軟件對(duì)料倉(cāng)框架上部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工程概況

本工程料倉(cāng)為底部三層混凝土框架，框架頂標(biāo)高為13.000m，結(jié)構(gòu)平面尺寸6.56m×6.56m，倉(cāng)筒直徑為6.000m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。在混凝土框架頂層支撐550t(活荷載：500t；恒荷載：50t)，料倉(cāng)設(shè)備與混凝土框架支撐梁采用群座螺栓進(jìn)行連接。本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地面粗糙度B 類(lèi)。料倉(cāng)倉(cāng)體圖如圖1 所示。

圖1 料倉(cāng)倉(cāng)體圖

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析模型

為了使計(jì)算模型最大限度接近于真實(shí)情況，更為合理地將料倉(cāng)荷載（包括倉(cāng)筒自重、貯料重量、地震作用及風(fēng)荷載）傳遞至框架上，在計(jì)算軟件中進(jìn)行如下處理：

⑴將料倉(cāng)按倉(cāng)壁的厚度分成6 段，如圖2 所示；

圖2 料倉(cāng)分段示意圖

⑵每一段是一根柱，截面是鋼圓管。料倉(cāng)變成連續(xù)的鋼管柱，模型中將鋼柱的密度設(shè)置為0，即鋼柱只用來(lái)模擬料倉(cāng)剛度，不模擬重量；

⑶通過(guò)料倉(cāng)的支承梁的8 個(gè)支承點(diǎn)建立剛性梁，其交叉點(diǎn)就是鋼管柱的（料倉(cāng)）的固定點(diǎn)，剛性梁在料倉(cāng)外壁與框架梁交點(diǎn)間如實(shí)建立鋼支座；

⑷剛性梁在與剛性支撐梁交點(diǎn)處，指定為鉸接。

通過(guò)以上幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了將料倉(cāng)底剛接到剛性梁上，相當(dāng)于有了剛性底盤(pán)，通過(guò)剛性底盤(pán)與支撐梁連接。料倉(cāng)支座層示意圖見(jiàn)圖3，所建立的結(jié)構(gòu)空間分析模型如圖4 所示。

圖3 料倉(cāng)支座層示意圖

圖4 結(jié)構(gòu)空間分析模型

2.2 料倉(cāng)荷載

依照現(xiàn)行《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50077-2003）[6]第4.1.1 節(jié)對(duì)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)上荷載的分類(lèi)以及本項(xiàng)目料倉(cāng)的分段情況，可計(jì)算得到每一段作用在節(jié)點(diǎn)的集中力，如表1 所示。

表1 料倉(cāng)重量分配及荷載情況

2.3 風(fēng)荷載

依照現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[7]第8.1 節(jié)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算以及本項(xiàng)目料倉(cāng)的分段情況，可計(jì)算得到每一段作用的集中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，如表2 所示。風(fēng)荷載按特殊風(fēng)荷載（考慮風(fēng)振效應(yīng)）分段輸入到模型中。

表2 集中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)料倉(cāng)框架上部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，由PKPM 軟件計(jì)算結(jié)果可得，框架梁柱計(jì)算配筋滿(mǎn)足承載力要求，結(jié)構(gòu)自振周期為0.75s，有效質(zhì)量為98.48%，最大層間位移角為1/1734，柱軸壓比為0.4，符合規(guī)范要求。

4 有待探討的問(wèn)題

料倉(cāng)結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中比較普遍，每個(gè)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)都不一樣，如何保證料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性有待進(jìn)一步探討。

4.1 料倉(cāng)與框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

本項(xiàng)目三維模型的建立采用PKPM 軟件的SATWE 模塊，主要目的是為了將料倉(cāng)鋼框架結(jié)構(gòu)與混凝土框架結(jié)構(gòu)一起建模進(jìn)行整體分析。這樣結(jié)構(gòu)模型較為真實(shí)，不必將作用在料倉(cāng)上的風(fēng)荷載、地震力換算成力偶作用在框架上，避免造成荷載和地震質(zhì)量的重復(fù)輸入，導(dǎo)致荷載組合混亂。同時(shí)使用本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)將料倉(cāng)底剛接到剛性梁上，相當(dāng)于有了剛性底盤(pán)，通過(guò)剛性底盤(pán)與支撐梁連接，因此可以反映料倉(cāng)及其支承結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。這樣模擬出的實(shí)際模型，料倉(cāng)、物料和底部框架三個(gè)質(zhì)點(diǎn)所受的地震作用都能計(jì)算求解出來(lái)，按照這種方法得出的計(jì)算結(jié)果才是比較精確的。

4.2 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

本項(xiàng)目為單個(gè)料倉(cāng)，假如遇到多個(gè)并排的料倉(cāng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、質(zhì)量分布也對(duì)稱(chēng)時(shí)，其振型的參與系數(shù)為零，即可以不考慮料倉(cāng)扭轉(zhuǎn)的影響。如果考慮料倉(cāng)不是都滿(mǎn)倉(cāng)時(shí)，扭轉(zhuǎn)和相對(duì)振動(dòng)會(huì)起較大的作用，但不一定起控制作用。

料倉(cāng)投入生產(chǎn)時(shí)，可能出現(xiàn)空倉(cāng)或者滿(mǎn)倉(cāng)的工況，造成料倉(cāng)的質(zhì)心和支承結(jié)構(gòu)的剛心不重合，此時(shí)若又發(fā)生設(shè)防烈度地震，在水平地震作用下支承結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。由于對(duì)實(shí)際操作料倉(cāng)過(guò)程無(wú)法控制，分析時(shí)考慮此類(lèi)特殊極端工況引起的偏心扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較困難。

4.3 物料荷載

在《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50077-2003）[6]第4.1.1 節(jié)對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)上荷載的分類(lèi)可知料倉(cāng)的貯料被定義為可變荷載，其組合系數(shù)為0.9，分項(xiàng)系數(shù)取1.3。物料重量取決于料倉(cāng)的容積、物料的容重、荷載分項(xiàng)系數(shù)及荷載的組合系數(shù)。由此可見(jiàn)如果物料重量的計(jì)算方法不同，相差很大。

從PKPM 軟件的荷載組合表中可看出，當(dāng)無(wú)風(fēng)、無(wú)地震力作用時(shí)，料倉(cāng)荷載取恒荷載或活荷載相差不大；當(dāng)有地震作用時(shí)，地震作用和地震組合則有較大差別，但在PKPM 軟件中通過(guò)調(diào)整活荷載質(zhì)量折減系數(shù)γ（計(jì)算間據(jù)周期和地震力），和活荷載重力代表值系數(shù)γEG（只在有地震組合中對(duì)活載作用進(jìn)行折減）可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。建議當(dāng)將物料當(dāng)活荷載時(shí)，質(zhì)量折減系數(shù)取0.9，活荷載重力代表值系數(shù)取1.0。因此在計(jì)算時(shí)，分組清晰，組合要明確、完整、合理。

5 結(jié)語(yǔ)

由于本案例是單個(gè)料倉(cāng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，本工程在對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的復(fù)核過(guò)程中，在對(duì)該構(gòu)筑物的使用荷載以及相關(guān)參數(shù)充分了解的情況下，通過(guò)PKPM 軟件建立合適的三維模型，充分考慮料倉(cāng)荷載、風(fēng)荷載及地震作用等參數(shù)對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果，可知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)總結(jié)出設(shè)計(jì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)需要注意的問(wèn)題：

⑴料倉(cāng)與框架結(jié)構(gòu)建模時(shí)應(yīng)整體分析，這樣得到的計(jì)算結(jié)果才比較精確；

⑵當(dāng)多個(gè)并排或者復(fù)雜的料倉(cāng)結(jié)構(gòu)投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)，無(wú)法避免會(huì)遇到偏心扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；

⑶對(duì)于物料荷載的分析，要充分考慮料倉(cāng)的容積、物料的容重、荷載分項(xiàng)系數(shù)及荷載的組合系數(shù)等因素的影響。