大直径钢筋混凝土筒仓设计要点分析

赵伟

摘    要：大型存储物料的钢筋混凝土筒仓，根据储料进、出料工艺要求，合理确定仓直径、高度及仓底板结构布置;同时给出异形底板、基础底板及仓顶在设计计算时的要点及它们之间的相互关系。最后，借助岩土有限元软件分析，总结大型仓基桩的受力及变形特点。

关键词： 异形底板;变形协调;岩土有限元;基桩;内力分布

1  仓几何参数

根据工艺要求，仓外形尺寸为内直径25m，仓顶高度50m;仓内底板高度8.8m，底板下内筒直径为9m;仓顶由于有下料平台且跨度较大，仓顶采用钢桁架结构体系。

2  设计计算要点

2.1  仓基础：桩筏底板

根据仓内所有的构件自重包括埋深范围内的土中重量计算桩的数量，同时适当考虑水平荷载对桩数的影响，由《建筑桩基技术规范》式5.1.1-2可知：计算地震荷载弯矩Nekmax<1.5Ra。

这里值得注意一下，由《筒仓设计规范》第4.1.8条：计算筒仓水平地震作用及其自振周期时，可取贮料总重80%作为贮料有效质量的代表值，重心取其总重的中心。

实际上：由《构筑物抗震规范》第4.5.1条第4.2.1条1款内容，可知：满足上部结构不验算地震作用的筒仓和7，8，9度基础下无软弱粘性土和液化土层的仓可不进行基础（桩基）的地震承载力计算。

最后计算出的桩的数量布置一定上遵循内密外疏（内强外弱）的原则。内密外疏的原则主要是考虑土，桩，承台之间的相互作用后，使地基土对上部结构产生内弱外强的刚度变化，为减小中间变形大，外围变形小的趋势而设置。所以，中间区域桩密，外围区域间距适当减小。

承台底板的设计主要是确定厚度和底板钢筋：根据《给水排水工程结构设计手册》力学表格和内外筒支撑的受力模型，求出底板每一处的弯矩值。

基础底板钢筋配置时，保证径向钢筋摆放在最外边缘，保证受力高度;由钢筋面积导出的钢筋直径和间距一定要在承台内一层放得下，这个一定要验算一下。否则施工时会放2～3层就不好了，如果放不下则应稍加大底板厚度。

2.2  仓底板设计：内外圆板

这部分设计的关键就是确定内筒的直径和壁柱的位置。确定原则：先中心圆板按环梁周边是固定边的计算模型计算出边缘弯矩M1，同时跨中弯矩Mo。再异形板（梯形）靠近中心圆板的边由有限元板计算出的弯矩M2。同时，由内力和变形协调条件，可知最终的板边负弯矩为（M1+M2）/2。最终负弯矩与圆板跨中正弯矩相等来调节内筒的位置，同时壁柱要均匀，满足工艺条件进出口的最小尺寸要求。

需要注意的是这个内筒的直径确定后，它的尺寸也会影响到前面说到的底板的弯矩计算结果。要反复计算比较后找出一个最优化的直径值。

2.3  筒壁和仓壁

仓壁厚度由《筒仓设计规范》中相应的规定给出：

直径等于或小于15m的圆形筒仓仓壁厚度：

t=dn/100+100

直径大于15m了不能使用经验公式，得由抗裂轴心受拉计算公式计算出。

这里需要指出的是在判别深仓与浅仓时用到的高度hn是从堆料顶部算起，

对于仓的hn就是从底板上的轻质斜坡骨料顶部算起的，不是从仓底板顶面算起。如果hn/dn=1.5时，也就是筒仓仓顶标高是50米的时候，出现深仓和浅仓的分界点，规范给出要分别按深仓公式和浅仓公式计算水平贮料压力，二者取大值。筒壁一般是按构造配筋，为满足筒壁层的刚度和承载力比仓壁层大，筒壁比仓要厚100mm～150mm。

2.4  仓顶结构

仓顶结构主要包括：仓顶小房，溜槽钢架平台，皮带机等系列设备基础，风机基础。

仓顶小房及溜槽平台应进行抗震验算。建筑抗震设防分类应按筒仓的使用功能由工艺专业确定，但不应低于丙类。当仓壁与仓底整体连接时，仓壁、仓底可不进行抗震验算。筒壁支撑的筒仓仓上建筑地震作用增大系数可取4.0。柱支撑的筒仓仓上建筑地震作用增大系数，可根据仓上建筑计算层结构刚度与仓体及仓上建筑计算层质量比的具体条件，按《构筑物抗震规范》表5.1.7采用。倉上建筑增大的地震作用效应不应向下部结构传递。

2.5  仓与边坡稳定的相互影响。

此类问题曾采用岩土有限元分析软件PLAXIS【1】，建立仓基础及其附近边坡的数值模型，考虑了基桩、抗滑桩及桩间挡墙、地质土层、边坡研究对象在不同工况下的相互影响，模型图如图2所示。

主要有以下结论：

（1）只要储料筒仓仓处于边坡滑移带之外，稳定性不受影响，仅基桩弯矩出现一定增长。边坡卸载后，建造储料筒仓及其桩筏基础不会引起边坡失稳，且自身水平变形很小。而边坡的存在对于基础的差异沉降影响也很小，但对氧化铝仓的基桩的弯矩有较微小的影响。

（2）储料筒仓基础在地震水平荷载和弯矩荷载共同作用下，基础差异沉降增大，挡墙位移增大，基桩内力重新分步，挡墙内力增大，但基础和边坡处于稳定状态。

（3）控制桩筏基础的总沉降量和变形差值最显著的方法是增加桩长，不是增加桩数。

（4）群桩效应及内力重分布：内力是中间小，周边大的趋势，需进行变刚度调平设计【2】。

参考文献：

[1] 张建勋.用强度折减有限元方法分析土坡稳定问题[J].山东科技大学学报，2004.

[2] GB 50007—2011.建筑地基基础设计规范[S].