大开孔大直径混凝土圆筒仓结构分析与设计

[摘要] 针对近年来大量出现的大开孔大直径钢筋混凝土圆筒仓，以盘南电厂脱硫石膏筒仓为例，运用SAP2000软件建模分析研究，总结了此类结构的应力和变形特点，提出结构措施，供工程设计和进一步研究参考。

[关键词] 大开孔；大直径混凝土圆筒仓；应力集中；仓壁稳定

[Abstract] for in recent years a large number of large hole of large diameter reinforced concrete silo, silo in Pannan power plant desulfurization gypsum as an example, using SAP2000 software modeling and analysis, summarizes the structure stress and deformation characteristics, proposes the structure measures, for the study of engineering design and further reference.

[keyword] large opening; large diameter concrete silo; stress concentration; the silo wall stability

中图分类号：文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

工程概况

贵州盘南电厂4×600MW机组脱硫系统增容改造工程石膏筒仓采用现浇钢筋混凝土圆筒仓。该筒仓采用双筒联体设计，石膏筒仓高33.0m，内径23m，筒壁仓及剪力墙厚均为0.45m，底板厚0.45m，中部承料板厚0.3m，边承料板厚0.45m。双筒共可容纳13000吨石膏。

受卸料机设备臂长限制，无法采用传统的固定式旋转卸料机，本工程改用直线轨道运行的旋转卸料机，机器叶片直径4.6m，电机等附属设备随叶片移动，设备可随时停留在运行轨道上任何一处进行卸料，且设备需定期在仓体外进行检修维护。筒仓下部设两条汽车通道，供卡车装运来自筒仓的石膏料。因而特殊的设备及运行方式使土建结构在运行直线留出一个个异性的隧洞空间。同时在筒壁上留下异形的大开孔。洞口及填充料的布置使圆形的筒仓内部更接近于槽仓结构。

本工程主要结构平、立、剖面如图1所示。

图1 筒仓平面、立面及剖面图

设计参数

本工程建筑结构安全等级二级，结构设计使用年限50年；抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第三组，建筑抗震设防类别为丙类；建筑场地类别为Ⅱ类；基本风压值：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度B类。

材料等级：基础及上部结构混凝土强度等级为C35；主受力钢筋为HRB400。

荷载

结构自重、仓顶活荷载、风载、雪载、地震荷载及温度荷载等；

工艺荷载：主要包括储料荷载（石膏的密度1.0t/m³，内摩擦角φ=45°）及设备传来荷载，分别如图2~图4所示。

图2 储料压力图

图3 卸料设施支承钢架图

图4 设备运行荷载图

卸料设施支承钢架主要承受设备运行时产生的竖向水平力。设备钢架间距5m（原设计为2.5m，在运行过程中发现堵料严重，最终调整并改造为5m）。

结构分析

本工程采用SAP2000进行建模、计算和分析。模型中框架梁、柱采用杆单元模拟，仓壁、顶板、底板等则采用壳单元（Shell）模拟。

结构自重由程序自行考虑（根据输入的密度与重度信息），其余恒载、活载和风载均以节点荷载、线荷载、面荷载的形式直接施加在相应构件上；地震荷载通过反应谱法分析得到；同时考虑温度荷载。

结构动力特性

从筒仓的前12阶自振频率（详表一）及振型图（见图5）可以看出，由于结构采用对称布置，且筒壁直接落地，两边承料板下方的对应部位也剪力墙落地，这样刚度设置较为合理，结构第一阶主要变形是平动变形，第二阶主要变形是竖向变形，其余振型中明显看出上部仓体与大开孔交接处是结构最薄弱的部位,必须采取措施对该部位进行加强。

表1 筒仓的自振频率

图5 第1，2，3，4，8，12阶振型图

结构变形及应力分析

根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》 GB50077 - 2003,筒仓仓壁上洞口宽度不宜大于 1 m，但随着近年来我国工程建设的发展，仓壁直接落地的大直径圆形筒仓大量出现，为满足贮料工艺的要求，在仓壁的底部开设大于1m的洞口经常不可避免。对于较小的洞口，规范是将被洞口切断的纵、 横钢筋按构造直接放置在相应的周边。而对于较大的洞口, 由于被切断的钢筋数量相当多,在洞口周边无法配置, 且不符合洞口的受力状态。将仓壁上小洞口的处理办法, 简单的套用在大洞口上显然不恰当。为此，必须按洞口的实际受力状态及计算结果进行配筋。

大直径筒仓的仓顶宜采用轻钢结构，由于本工程仓顶布置了脱水车间，仍采用了钢筋混凝土顶盖，虽然已经采取了措施来减少对仓壁平面外稳定的影响，但应力图上可以看出，仓壁顶端依然存在较大的应力。

《钢筋混凝土筒仓设计规范》中建议的按弹性力学，采用微分方程应力函数求得的解为边界收敛的幂数级，数值分析结果显示，洞口周边的的应力扰动区，只发生在矩形或方形洞口角点的有限范围内。

针对洞口周边的应力集中，增壳体及支承结构的整体的变形及应力图（如图6及图7所示）可以看出，虽然洞口的周边都会出现不同程度应力集中和应力突变现象，但突变范围很小，这为结构采取洞口边缘加强措施提供了依据。

图6 筒仓变形形状图

图7 筒仓应力图

结构措施

针对洞口周边的应力集中，本工程在洞口边设置扶壁柱和暗梁，以增强筒壁的稳定性。扶壁柱的截面选择必须谨慎，如截面过大，则会使筒壁的应力过分集中到刚度较大的柱上，从而造成扶壁柱的配筋量加大。所以，国外一些较大的筒仓很少设扶壁柱。

仓顶混凝土顶盖中钢筋混凝土梁简支在仓壁顶部的环梁上，上层车间的混凝土框架柱中心与仓壁中心重合并通过环梁将集中荷载分布在仓壁上，使仓顶附近的筒壁受力更为合理。

采取上述构造措施后，经计算复核，本工程筒仓的各项位移，应力及最大裂缝宽度等均满足国家规范要求。

结语

对大开孔、不规则的复杂筒仓，计算确定结构的各工况内力与变形时应使用整体结构模型，避免过度简化的模型或单元构件模型；

承受载荷较大的筒仓，仓壁宜直接落地，从上至下尽可能保证整体结构刚度均匀，对洞口、或荷载集中处，则采取措施保证仓体的局部稳定性；

对于大直径筒仓，工程造价较高，在满足储料、卸料等功能的前提下，尽可能优化工艺设备的布置和运行方式，避免结构受力不合理。而为弥补这些不合理的受力方式，结构上不得不设置很多加强构件，采取很多加强措施，造成没必要的浪费，使整体结构更为优化。

参考文献

崔元瑞，归衡石等，钢筋混凝土筒仓设计规范(GB50077-2003)[S].北京：中国建筑工业出版社，2004

刘善维，仇振元等，贮仓结构设计手册[J].北京：中国建筑工业出版社，1999

崔元瑞，钢筋混凝土筒仓仓壁的洞口应力计算[J].特种结构，2001，(4)