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摘 要：伴随着国内经济的增长以及油脂需求的持续上升，国内油脂压榨行业快速发展起来，其产能也随着行业技术的发展同时增加，因此用于储存原料及成品油的各类储罐及筒仓成为了油脂工厂中不可或缺的组成部分，筒仓在整个工业产生中也发挥着举足轻重的作用。
【关键词】：筒仓侧壁摩擦荷载 混凝土框架支架 地震作用 不均匀沉降 钢板筒仓
1.引言
筒仓根据其建设所采用的材料划分，分为钢板筒仓及混凝土筒仓，一般的筒仓会选择直接支承于基础之上，由基础直接承受筒仓荷载。筒仓单个储存量较大，并需在相邻处建造其他5个相同类型的筒仓，这对上部混凝土框架设计、下部基础设计及控制基础沉降带来了不小的难度。本文主要结合实际设计过程中所遇到的疑点及难点来探讨一些结构设计中应该注意的问题。
2.工程概况及大致地质情况
本新建油脂加工厂位于泰兴市开发区内，拟建 个储量为1.5万吨的筒仓，相邻设置，筒仓间的中心间距为35m，分两排布置。筒体为钢结构，筒体直径为32m，高度为42m。其下的混凝土框架支架高度为3.500m，外围直径为33.500m。
本场地抗震设防烈度为 度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防类别为丙类。场地类别为Ⅳ类，特征周期为0. 5s，地面粗糙度类别为A类，不考虑砂土液化。
根据本项目详细地质勘查报告：拟建场地属于长江漫滩地貌单元。故采用桩基础进行设计，以③层细粉砂层作为桩端持力层。
3.筒仓混凝土支架的主要荷载
3.1恒载：混凝土支架自重；由设备供应厂家提供的楼面恒载195.5KN/m2；仓顶及仓体自重42.8KN/m
3.2活载：筒仓屋面活荷载0.5KN/m2；雪荷载为0.35KN/m2.
3.3风荷载：基本风压0.4KN/m2，风荷载体型系数取1.0；由风荷载引起的通过仓壁作用在支架外边环梁上的竖向荷载为13.1KN/m。
3.4地震作用：抗震设防烈度为 度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，特征周期0. 5s
3.5特殊荷载：储料在筒仓侧壁产生的摩擦力。（即侧壁摩擦荷载）该摩擦力为变量，根据设备供应厂家的资料，卸料时在侧壁产生的摩擦力的最大值为381.5KN/m。随着筒仓内储料的不断减少，其与仓壁的接触面积也不断减少，从而摩擦力也会相应降低，故侧壁摩擦力是一个时间的变量，其峰值出现在满仓卸料的瞬间。
3. 计算地震作用时，储料荷载重力荷载代表值组合系数取0.9。荷载效应基本组合，储料荷载分项系数取1.3。
4.筒仓混凝土支架平面布置及模型计算方式
框架柱截面尺寸900X900mm，框架梁截面尺寸1000X1000mm、1200X1450mm，次梁截面尺寸500X 00mm、500X800mm、 00X900mm、1000X900mm，楼板厚500mm。混凝土强度等级为C30。
3.500m高度的混凝土框架属于常规框架范畴，本项目中混凝土支架的关键问题是如何将上部筒仓所受风荷载、经过反复地对荷载进行分析后，总结了以下办法能使我们能用最常见PKPM结构设计软件来计算支架的梁板柱等构件及支架的抗震验算。
我们把该混凝土支架的设计分为框架柱设计、框架梁板设计及下部基础设计三个独立的部分。这样需要建立两个不同的计算模型来分别计算以上三个独立部分：
将混凝土框架支架与钢筒仓进行共同建模，具体方法如下：
1 在混凝土框架外围环梁处，按钢筒仓的实际高度与直径来设置同尺寸的混凝土墙，然后在混凝土墙墙顶处设置一层雅自重的混凝土板并以虚梁分割（在PKPM结构设计软件中默认100x100mm的混凝土梁为虚梁）。
2 然后在筒仓满载时储料的重心标高处，设置一层雅自重的混凝土板，也以虚梁分割，在对应3.500m标高平台柱位处设置上下铰接的混凝土柱。详见图示一
仅将混凝土框架支架进行建模，具体方法如下：
模型中仅保留3.500米标高处的混凝土框架支架。除大豆储料荷载以面荷载的形式施加在该层楼板上之外，其他荷载（包括卸料时产生的侧壁摩擦力、钢结构仓体的荷载、由风荷载引起的环梁上的竖向荷载）均以线荷载形式施加在平台周边的环梁上。详见图示二
图示二
对于混凝土支架基础设计，其所计算出的柱底反力是较为准确的，可以作为地下桩基础的计算依据；同样对于框架柱设计，其结果有一定的依据，模型中考虑了整体的竖向及水平荷载，并通过设置上下铰接的混凝土轴，直接将虚拟重心层的荷载传至支架框架柱上。
对于混凝土支架基础设计，其计算结果是不可取的，因为该模型并未考虑筒体风荷载作用及筒仓满载时的地震作用；对于支架中的框架梁板设计，该模型的计算结果是有可信性的，其能较真实地反映出实际的荷载情况；对于框架柱设计，应将的计算结果与的计算结果进行比较，取最大值作为框架柱的设计依据。
分析以上两种不同的建模方式，其主要针对的计算内容各有不同，需要相互补充才能得到正确的计算结果。
5.桩基础设计与沉降控制
钢筒仓筒仓体型高，竖向荷载大，其基础对整个筒仓支架的安全性起着至关重要的作用，基础支撑了筒仓支架，将上部筒仓及支架的全部荷载传给桩基，并保证结构的稳定性。本工程综合了施工便利性、造价经济性、结构安全性等各方面因素后，最终采用了独立承台桩基础加设地梁拉结的桩基础形式。
5.1基础选型
考虑到上部结构荷载较大并结合详细地质勘察报告，确定以③层细粉砂层为桩端持力层。对于上部荷载如此大且对基础沉降有较高要求的建筑单体，综合各方因素，桩型最终还是采用了PHC- 00（110）AB-C80-14，14，14高强度预制预应力混凝土管桩，参考图集为江苏省标准图集《先张法预应力混凝土管桩》苏G03-2002，单桩承载力特征值为2100KN。
此处需要特别说明，该方案是根据本工程的实际情况及一些建设单位的外因而作出的选择。桩筏基础具有更高的安全度，更容易控制不均匀沉降、倾斜率等，在条件允许的情况下应优先采用。
5.1基础沉降与不均匀沉降的控制
本项目的桩基持力层为③层细粉砂层，单桩承载力特征值及③层细粉砂层以下土层的压缩模量参数均比较高，对控制基础绝对沉降量是有利的。使倾斜率计算满足规范要求。
另外， 个筒仓的储料量会根据工厂制作工艺的安排而变化，可能出现几个仓满载，而其他仓空载的不利工况，故在基础设计时必须考虑空满仓的不同荷载组合，并选取其中最不利的几种工况分别进行验算。本项目中选用启明星-Pile2009及PKPM-JCCAD软件及基础设计软件。PKPM-JCCAD软件主要用于计算单个筒仓的沉降计算，其结果详见图示三，启明星-Pile2009主要用于计算多个筒仓在相互影响下的沉降计算。
图示三
.结语
要保证设计的安全合理，建立符合实际受力情况的力学模型是第一步，而其中关键的是了解筒体各种荷载的产生原因及这些荷载在筒仓支架上的作用部位，并将其正确地模拟到计算模型之中，包括风荷载的模拟、地震荷载的模拟等。特别容易被设计者忽略的是在多仓情况下的荷载最不利布置，在设计过程中必须要验算各种不同工况下基础是否都能满足设计要求。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 -2001（200 年版）
[2]中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 -2001（2008年版）
[3]中华人民共和国国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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发表于 2020-6-19 12:22:48
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发表于 2020-6-19 12:23:29
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