2018预应力钢筋混凝土筒仓设计
摘要:根据预应力钢筋混凝土筒仓设计经验，依据规范，对预应力钢筋混凝土筒仓在设计中如何选择合理的模型、如何分析各部分内力计算及各部位构造要求等问题提出的建议，可供工程设计参考。http://
Abstract: According to the prestressed reinforced concrete silos design experience and the specification,we talk about how to choose reasonable model, how to analyze each part of the internal force calculation and how each place structural requirements were put forward concerning prestressed reinforced concrete silos ,which could be a reference to project designing.
关键词:预应力;钢筋混凝土筒仓;抗裂计算;承载力;
Key Words: prestressed; reinforced concrete silos; crack computing; bearing capacity;
中图分类号：TU375文献标识码：A 文章编号：
概述：
筒仓一般指贮存散料的直立容器，是贮存松散的粒状或小块状原材料或原料(如谷类、水泥、砂子、矿石、煤及化工原料等)的贮藏结构；可作为生产企业调节、运转和贮存物料的设施，也可作为贮存散料的仓库。筒仓按其结构计算方法可分为浅仓及深仓两大类。当仓壁计算高度(hn)与圆形筒仓内径或矩形短边之比大于或等于1.5时为深仓，小于1.5时为浅仓。按采用材料不同，可分为钢筋混凝土仓、金属筒仓、砌体筒仓。按平面形状可分为方仓、矩形仓、圆筒仓、多角形筒仓。本工程采用钢筋混凝土圆形深仓结构(三仓连建)。如图1所示。
图1预应力钢筋混凝土筒仓
筒仓在设计之前应先行了解工艺布置简图及筒仓容量；贮料特性，如重力密度、内摩擦角、安息角、对仓壁摩擦系数、温度及湿度等,这些资料可由工艺专业提供或查询《钢筋混凝土筒仓设计规范》GB50077-2003；漏斗壁的最小倾角，防止堵塞、积料的措施及要求；悬挂在贮仓上的荷载，如小钢漏斗、钢平台、给料机、配料设备及其它吊重等；其他特殊要求。
筒仓宜优先选用圆筒形。直径大于15米的筒仓，除岩石地基外，一般宜采用独立布置形式。筒仓设计中应注意布置沉降观测点，并提出对筒仓首次装料和卸料作出观测记录要求。筒仓仓壁、筒壁及漏斗应尽量选用等截面。筒仓仓顶与地面之间应设有连接通道和安全出口，一般除利用上仓运输机栈桥作为通道外，尚应根据仓顶设备和操作人员情况设置安全出口，通向地面的楼梯坡底应平缓，宜采用1：1角度。筒仓顶设二层及二层以上厂房时，其楼面、屋面板的支承结构宜布置在钢筋混凝土仓壁上，在仓顶需加圈梁。如用钢筋混凝土框架结构时，框架柱宜尽量布置在仓壁环梁上，并在柱底布置纵横连系梁形成整体。
筒仓的基础埋深一般为建筑物总高度的1/12左右。当工艺要求利用地下部分空间时，应综合考虑后确定基础埋深。
本工程建筑物总高度为62.9米，基础埋深5米，筒仓内径34米，因是大直径筒仓，故连建的三座筒仓采取独立布置形式，仓与仓中心线之间距离为40米，以保证基础之间留有足够的间距。
荷载及贮料压力计算
筒仓的荷载主要包括结构自重、其他构件及固定设置施加在仓上的作用力、预应力、土压力、填料及环境温度作用；贮料荷载、楼面活载、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、筒仓外部地面的堆料荷载；地震作用。筒仓结构计算时，对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载应采用标准值，对可变荷载应根据设计要求，采用标准值或组合值，对地震作用应采用标准值。
计算筒仓水平地震作用及基自振周期时，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。
计算筒仓倾覆稳定或滑动稳定时，其抗滑稳定安全系数可取1.3，倾覆稳定安全系数可取1.5。永久荷载分顶系数应取0.9。
深仓贮料重力流动压力应按下列规定计算（图2）：
图2 深仓的尺寸及压力示意图
仓壁单位面积上的水平压力Ph(KPa): Ph=Chγρ(1-e-μks/ρ)/μ
K=tan2(450-φ/2)
仓底或漏斗顶面处单位面积上的竖向压力Pv(KPa)：
Pv=Cvγρ(1-e-μkhn/ρ)/μk
贮料顶面或锥体重心以下距离s(m)处的计算截面以上仓壁单位周长上的总竖向摩擦力Pf(KN/m)：
Pf=ρ[γs-γρ(1- e-μks/ρ)/μk]
圆形筒仓水力半径：ρ=dn/4
式中：
Ch-深仓贮料水平压力修正系数；
γ-贮料的重力密度(KN/m3)；
φ-贮料的内摩擦角；
ρ-筒仓水平净截面的水力半径(m)；
μ-贮料与仓壁的摩擦系数；
k-侧压力系数；
e-自然对数的底；
s-贮料顶面或贮料锥体重心至所计算截面的距离(m)
Cv-深仓贮料竖向压力修正系数(详见筒仓规范中表4.2.5)
hn-贮料计算高度(m)
dn-圆形筒仓内径(m)
内力计算
仓壁环向拉力计算
根据材料力学计算公式Phdn/2t，即可计算出仓壁环向拉力，其中t为筒仓仓壁厚度，其余符号详见前面章节解释。
基础外挑板
按单向悬挑板计算
筒壁
筒壁为筒仓整体支承结构，主要承受竖向压力荷载作用，可采用上部总荷载值与筒壁截面面积比来求出截面上的压应力。
设计实例
下面是同煤集团东周窑选煤厂原煤仓，采用的是预应力钢筋混凝土结构，于2010年2月设计。基础数据如下
筒仓的总高度为62.9m，其截面形式如图1所示。煤的容重为10KN/m3，仓容为35000t。基础埋深为5米，基础底面座落于粉土层上，因此层土体具有湿陷性，故对地基先行采用强夯压实，而后采用CFG桩进行处理，处理后地基承载力特征值大于500KPa。基础筏板厚度为1.8米，在筒壁处筏板厚度加厚至0.5米，达到2.1米。筒壁从图1可知分为三层，称最内侧筒壁为内筒，最外侧的为外筒，中间为中筒。内筒壁厚为0.6米，中筒壁厚为0.5米，外筒壁厚为0.45米。漏斗壁厚度为0.6米，仓壁厚度为0.45米。筒仓上部斜锥体部分厚度为0.5米。为增加筒仓上部刚度，仓顶板厚为0.2米。
本工程采用SAP2000建模及计算，版本号为V11.0.8。采用的是壳单元模拟筒壁及仓壁。
1、地基承载力计算：采用标准组合
传到基础底面的荷载包括：仓体自重及仓上建筑物自重、筒仓筏板及上覆土重。以上总荷载为603000KN，基础为半径19.9米的筏板。则有
fa=fak+ηγm(d-0.5)=590KPa
Pk=(W+G)/A=485KPa 3、筒壁承载力计算：
筒壁主要承受物料及筒仓自重产生的荷载，由计算分析可知，主要承受竖向压力作用。筒壁竖向及环向基本不产生或产生很小的拉应力，再则由于出地面后筒壁受环境温度影响，故应考虑温度应力的影响。在分析阶段考虑了30度升温和25度降温的情况，由这些计算得出的温度应力与其他工况进行组合。进而计算出筒壁的配筋。同样应控制筒壁的裂缝。
4、仓壁计算：
仓壁是主要装载物料的容器。仓壁主要承受煤产生的水平压力、竖向摩擦力的作用。因本工程筒仓的直径较大，采用非预应力钢筋无法满足仓壁的抗裂要求，故本工程仓壁采用非预应力筋与预应力筋相结合的方式来控制仓壁的裂缝。由前面的压力计算公式可计算得出，仓壁侧压力为103KPa。再考虑温度应力对仓壁的影响，故本工程仓壁采用无粘结预应力结构，采用两端张拉的方式，在仓壁同一断面采用三段同时张拉的方式。每一张拉段长度不超过50米。无粘结预应力采用7根φs=15.2mm的钢绞线为一束，每一张拉段共7束。钢绞线极限强度标准值fptk=1860MPa，张拉控制应力σcom=0.75fptk。为减少预应力钢绞线的预应力损失，要求施工时采取超张拉，但最大张拉应力不得超过1.05σcom。在仓壁外侧设有厚度0.4米，宽度为3米的壁柱6根，方便钢绞线张拉，即120度为一张拉段。张拉顺序为自下而上隔根张拉，然后自上而下全部张拉完毕。预应力钢绞线中心距离仓壁外侧为150mm，以避免与非预应力筋冲突。采取以上措施后，仓壁的裂缝宽度基本可以保证在0.2mm左右，可以满足规范要求。
5、漏斗计算：
漏斗主要承受煤的竖向压力，及煤对漏斗表面产生的切向力。故其受力特点是即承受径向的弯矩作用，又承受环向拉力作用。所以应分别对各个方向的内力进行配筋设计，还应考虑温度应力的影响，且要控制裂缝宽度。
6、筒仓上部锥壳计算：
因筒仓直径较大，且中部无支承到顶部的竖筒，为减少跨筒仓大梁的高度，有效利用空间，采取在筒仓顶部收缩的方式(锥壳)。锥壳与水平方向的夹角应控制在45度及以上，这样锥壳全截面基本处于受压状态，有利于筒仓的受力。除锥壳与仓壁连接处及与锥壳顶部环连接处以外，其余部分可采取构造配筋即可。
结束语
贮料压力是筒仓设计中的重要参数，其计算正确与否直接关系到筒仓是否安全、经济、可靠、合理。近几十年来，随着无粘结预应力的不断完善和发展，无粘结预应力成套技术开始应用于仓类构筑物，这种技术无疑对大直径筒仓的裂缝控制是有益的。如何使预应力混凝土技术更加适用筒仓设计，还有待我们进一步研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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