鋼筋混凝土筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)與探討

在工業(yè)企業(yè)中，筒倉(cāng)是一種常用的儲(chǔ)存物料的構(gòu)筑物。因筒倉(cāng)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其筒壁在儲(chǔ)料荷載作用下受力均勻、不產(chǎn)生彎矩，且其平面布置可以多種多樣，故被廣泛應(yīng)用。

工業(yè)企業(yè)中的筒倉(cāng)內(nèi)的儲(chǔ)料具有顆粒大（粒徑20-30cm）、容重大及儲(chǔ)量大等特點(diǎn)。筒倉(cāng)的下部出料往往考慮用火車、汽車或者是皮帶機(jī)運(yùn)輸。筒倉(cāng)頂多為多層結(jié)構(gòu)，其荷載大、動(dòng)力設(shè)備多，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了不少困難。筒倉(cāng)的支撐構(gòu)件與上部筒身之間的剛度差別大，特別是地震區(qū)的筒倉(cāng)設(shè)計(jì)，更應(yīng)重視這種特點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際對(duì)圓筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)一些關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行討論并給出建議，希望對(duì)今后的工業(yè)企業(yè)中常用的筒倉(cāng)設(shè)計(jì)有借鑒意義。

1.高位料倉(cāng)的支承結(jié)構(gòu)

高位料倉(cāng)的支承結(jié)構(gòu)一般采用柱子支承或筒壁支承，支承結(jié)構(gòu)的受力較復(fù)雜，在地震區(qū)，還須考慮結(jié)構(gòu)自振、動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)、風(fēng)震及地震力等的共同作用。支承結(jié)構(gòu)的布置需滿足倉(cāng)底部車輛通行的需要，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意支承結(jié)構(gòu)與筒倉(cāng)間的剛度變化，采取措施緩和剛度突變。

地震區(qū)筒倉(cāng)應(yīng)優(yōu)先采用筒壁支承形式，通過(guò)對(duì)地震區(qū)筒倉(cāng)的震害情況分析可得出，采用柱子支承的筒倉(cāng)倒塌和嚴(yán)重?fù)p壞率非常高，在9度烈度區(qū)為22%，在10-11度烈度區(qū)竟達(dá)47%，而采用筒壁支承的卻極少倒塌。

1.1柱子支承

柱子支承的筒倉(cāng)容易破壞的原因，主要是柱子支承存在兩大缺陷。一個(gè)是倉(cāng)壁與柱子支承的交界處，存在著明顯的剛度突變。事實(shí)上，柱子支承結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)較倉(cāng)壁支撐的結(jié)構(gòu)剛度小。在地震力作用下，框架式柱子其上、下端的慣性矩可相差70%左右。舉例說(shuō)明，某筒倉(cāng)倉(cāng)身直徑為9米、壁厚為0.25米，采用框架式6柱支承，柱斷面為0.6X0.6米。經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于YZ平面，柱子支承部分的慣性矩是倉(cāng)身部分慣性矩的25%。在地震區(qū)，由于構(gòu)筑物的剛度突變，使之對(duì)地震力非常敏感，會(huì)造成嚴(yán)重的局部（交接處）應(yīng)力集中，并導(dǎo)致柱端破壞。二是采用柱子支承的筒倉(cāng)在結(jié)構(gòu)地震力分析時(shí)，計(jì)算出的地震力往往比實(shí)際小。原因在于柱子支承的剛度遠(yuǎn)較倉(cāng)壁支撐的剛度小，柱子很柔，自然反映出來(lái)的地震力也小。若不全面分析，就依據(jù)此地震力進(jìn)行支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是及其不合理的。事實(shí)上，支撐結(jié)構(gòu)柱很柔，自振周期長(zhǎng)，對(duì)于短周期的地震力而言，自振周期過(guò)長(zhǎng)的支承柱頭，將出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦地震，即導(dǎo)致破壞。因此，在地震區(qū)筒倉(cāng)不宜采用柱子支承的支撐方式。

1.2筒壁支承

筒壁支承即筒倉(cāng)漏斗支承在環(huán)梁上，環(huán)梁和支承壁的剛度突變不明顯。同時(shí)，環(huán)梁和筒壁的交接處，還可采用筒壁加腋的辦法，緩和其剛度突變。這種支撐形式的筒倉(cāng)可抵御強(qiáng)大的地震力作用。這一點(diǎn)在地震區(qū)筒倉(cāng)的破壞情況可以證實(shí)。就筒壁支承的筒倉(cāng)而言，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于地面處。由于倉(cāng)下要有汽車通行，需在鄰近地面的筒壁上開(kāi)洞，該洞底一般與地面平齊或略低，洞口大小應(yīng)滿足車輛通行的要求，因開(kāi)洞削弱了筒壁的有效截面，通常用補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行補(bǔ)償。在地震區(qū)，其做法是在洞口兩側(cè)加扶壁柱，增強(qiáng)筒壁的穩(wěn)定性。

2.深倉(cāng)支承結(jié)構(gòu)

筒倉(cāng)內(nèi)的堆料高度與圓形筒倉(cāng)直徑之比大于或等于1.5時(shí)為深倉(cāng)，小于1.5時(shí)為淺倉(cāng)。深倉(cāng)最常用的做法是倉(cāng)底下料口直接在火車、汽車或皮帶運(yùn)輸機(jī)上卸料。工業(yè)企業(yè)還往往將這些構(gòu)筑物直接建于鐵路線上，這樣，即使無(wú)地震時(shí)筒倉(cāng)對(duì)筒體的剛度變化也很敏感。近年來(lái)，工藝經(jīng)常要求將動(dòng)力設(shè)備移至倉(cāng)頂，使筒倉(cāng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。這種料倉(cāng)有時(shí)貯料深達(dá)20米，漏斗部分所承受的荷載很大。這些均與高位料倉(cāng)有所不同。

2.1深倉(cāng)漏斗的結(jié)構(gòu)形式

漏斗可做成鋼筋混凝土漏斗和鋼漏斗。鋼漏斗在受沖擊或卸料時(shí)振動(dòng)較大，對(duì)支承結(jié)構(gòu)不利。為避免振動(dòng)通常采用鋼筋混凝土漏斗。料斗通常分尖底式和平底式兩種。在地震作用下，平底式漏斗穩(wěn)定性好、易于支承，通常采用平底式漏斗。

2.2深倉(cāng)的支承結(jié)構(gòu)

(1)倉(cāng)壁落地支承

深倉(cāng)通常采用倉(cāng)壁直接落地的支撐方式，采用支承筒壁與倉(cāng)底交界處加腋的辦法來(lái)緩和倉(cāng)底與支承壁間的剛度變化，若在支承筒壁上開(kāi)洞，則采用等剛度原則補(bǔ)強(qiáng)。

(2)漏斗內(nèi)柱支承

深倉(cāng)的漏斗承受的荷載很大，由此產(chǎn)生的在支承筒壁端部的地震荷載也很大，此時(shí)，支承筒壁屬于壓彎桿件，受力復(fù)雜。為改善其受力狀態(tài)，通常采用4根立柱支承在漏斗下。立柱間距滿足通車的需要，柱上端支撐于漏斗下倉(cāng)底平臺(tái)的平臺(tái)梁交點(diǎn)上，內(nèi)柱與倉(cāng)底梁形成框架結(jié)構(gòu)。

（3）倉(cāng)壁與內(nèi)柱聯(lián)合支承

這種倉(cāng)壁、內(nèi)柱聯(lián)合支承形式，不僅能支持漏斗的較大荷載，而且改善了整個(gè)支承體系的剛度。對(duì)聯(lián)合支承的受力狀態(tài)可作如下分析：

柱子的受力狀態(tài)：假定漏斗的料載全部傳給柱子，漏斗部分的豎向荷載均由柱子承受。

筒壁受力狀態(tài)：筒壁荷載由支承筒壁本身承受，筒壁剛度遠(yuǎn)較框架柱的大，因此假定水平荷載均由筒壁承受。這種簡(jiǎn)化分析受力明確、計(jì)算簡(jiǎn)捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。若筒倉(cāng)直徑較大，而漏斗料載部分傳給筒壁，則需要對(duì)筒壁進(jìn)行校核。

3.倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)

倉(cāng)頂系指?jìng)}頂平臺(tái)及其上的多層建筑。

3.1倉(cāng)上結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，倉(cāng)上結(jié)構(gòu)有向?qū)痈叽?、層?shù)多、荷載大、動(dòng)力設(shè)備多發(fā)展的趨勢(shì)。從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度分析，這樣做雖然滿足了工藝要求，但對(duì)筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)非常不利。筆者認(rèn)為：倉(cāng)上結(jié)構(gòu)不宜超過(guò)兩層，以全鋼結(jié)構(gòu)為宜，若需做保溫層，也應(yīng)盡量采用輕質(zhì)材料；倉(cāng)上結(jié)構(gòu)和倉(cāng)頂板上的振動(dòng)設(shè)備，其擾力作用點(diǎn)應(yīng)盡量布置得靠近柱子,以便使絕大部分振動(dòng)能量,以最短的距離被柱子所吸收。

3.2倉(cāng)上結(jié)構(gòu)的平面布置

為敘述方便，把倉(cāng)頂分為頂板和倉(cāng)上結(jié)構(gòu)。倉(cāng)上結(jié)構(gòu)平面布置的關(guān)鍵，是鋼架或框架柱柱腳須在倉(cāng)壁上或倉(cāng)壁范圍內(nèi)，不宜布置在倉(cāng)壁范圍外，見(jiàn)圖a及圖b。 

（1）外切四邊形平面

工藝專業(yè)為了得到更多建筑面積，便于布置各種機(jī)械設(shè)備，經(jīng)常要求倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)布置成外切四邊形平面，結(jié)合圖a及b，討論倉(cāng)上結(jié)構(gòu)柱子的布置問(wèn)題。分以下三種情況：

1)柱子布置于梁的中點(diǎn)1（圖a），該柱可以看作彈性基礎(chǔ)上的一根柱子，計(jì)算復(fù)雜。同時(shí)，在橫向荷載作用下，柱子將傳給梁一個(gè)扭矩，對(duì)梁的工作不利。

2)柱子布置于點(diǎn)2（圖a），此時(shí)，點(diǎn)2處于框架柱傳來(lái)的力矩作用下，且支承筒壁的局部斷面比梁端的要小得多，故在支承處產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，會(huì)使筒壁在該點(diǎn)的受力情況復(fù)雜化。但可用筒壁加腋的方法消除其上、下的剛度突變，柱子布置于點(diǎn)2的結(jié)構(gòu)形式也是可行的。

3)柱子布置于點(diǎn)3時(shí)，這種布置方式最為不利。一般通行皮帶機(jī)的筒倉(cāng)直徑約9米，則3-2梁的軸線長(zhǎng)度為4.5米，凈懸臂長(zhǎng)約4米。若為單層倉(cāng)頂，輕型屋蓋，屋面上無(wú)特殊荷載，則可在點(diǎn)3處立一根柱子。若倉(cāng)上結(jié)構(gòu)為多層，有動(dòng)力設(shè)備，荷載大，角柱受力較大，點(diǎn)3處就不宜立柱。

(2)內(nèi)接四邊形平面

由圖b可見(jiàn)，這種平面形式的各柱的布置（不管是對(duì)倉(cāng)頂板，還是對(duì)倉(cāng)壁），其剛度均相同。與外切四邊形平面布置（點(diǎn)2）相比，優(yōu)越性明顯。

倉(cāng)頂上梁系的布置，根據(jù)倉(cāng)頂柱的布置而定。當(dāng)倉(cāng)頂柱的布置確定后，在條件允許下，應(yīng)盡量將梁布置成井字形，避免平行布置。井字梁宜與環(huán)梁同高。且環(huán)梁應(yīng)有足夠的高度，以滿足柱腳與梁構(gòu)造連接的要求。倉(cāng)頂板是倉(cāng)上結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)平臺(tái)，要做得有足夠的剛度。筆者建議倉(cāng)頂板剛度為倉(cāng)頂柱剛度的5倍。

    另外，還要考慮倉(cāng)頂?shù)谋薅诵?yīng)和邊緣效應(yīng)。高聳于筒倉(cāng)之上的倉(cāng)頂，具有鞭端效應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，建議取放大系數(shù)為3。對(duì)于倉(cāng)頂板與倉(cāng)壁交界處的邊緣效應(yīng)，通常采用倉(cāng)壁加腋和配筋加密的補(bǔ)強(qiáng)措施。

4.結(jié)語(yǔ)

    在筒倉(cāng)設(shè)計(jì)中，筒壁和料斗的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但支承結(jié)構(gòu)計(jì)算較復(fù)雜。尤其是在地震力的作用下，結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的變化很敏感，而支承與被支承結(jié)構(gòu)之間，總存在剛度突變。故在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用各種方式、采取有效措施，緩和其剛度變化。

另外，在結(jié)構(gòu)布局方面，要求各構(gòu)件交接處盡量減少邊緣效應(yīng)，充分發(fā)揮各構(gòu)件的剛度作用，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

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