鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

合肥水泥研究設(shè)計院 邱 銳 李宗輝 張 翔

鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

合肥水泥研究設(shè)計院 邱 銳 李宗輝 張 翔

鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)在水泥工業(yè)廠房中是應(yīng)用最廣泛的貯料構(gòu)筑物，隨著新的建筑材料及施工方法的開發(fā)，傳統(tǒng)的水泥廠筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計方法。本文，筆者介紹了兩種新的設(shè)計思路，以期對同行有所參考。

一、采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)

倉下支撐結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)根據(jù)倉底形式、基礎(chǔ)類別和工藝要求進行綜合分析確定。圓形筒倉倉下支撐結(jié)構(gòu)有柱支撐、筒壁支撐、筒壁與內(nèi)柱共同支撐等形式。對于大直徑的圓形筒倉，應(yīng)優(yōu)先采用筒壁支撐或筒壁與內(nèi)柱共同支撐的形式。唐山地區(qū)冶金系統(tǒng)的筒倉震害調(diào)查表明，柱支撐的筒倉的震害程度要高于筒壁支撐的筒倉。

本文，筆者以新疆托克遜地區(qū)某水泥熟料線Φ18 m×30 m熟料庫為例，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.1 g。熟料庫庫底板以下采用兩道通長混凝土墻體及4個混凝土柱共同支撐，考慮到該地區(qū)特有的砂石地貌，筒倉整體采用5 m深的箱型基礎(chǔ)形式，混凝土柱凈高9.9 m。考慮到地震作用的影響，采用C30混凝土，柱的最大壓應(yīng)力組合設(shè)計值約12 000 kN；考慮到抗震規(guī)范混凝土柱軸壓比不得大于0.75的要求，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時柱截面為1 000 mm×1 000 mm；考慮到工藝要求，庫底板下的空間可作為電氣控制室利用起來，幾個大柱子放在電氣室內(nèi)部不利于工藝的布置，這種支承柱通常可視為軸心受壓柱，為滿足工藝的要求，降低混凝土柱的截面面積，可考慮采用鋼骨混凝土柱。

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是以鋼結(jié)構(gòu)為骨架，并外包以鋼筋混凝土的埋入式組合結(jié)構(gòu)。它既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點，又有鋼結(jié)構(gòu)的特點。隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，鋼骨混凝土柱在實際工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。

根據(jù)鋼筋混凝土所包的鋼骨的不同，可將鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)分為實腹式和空腹式兩類。實腹式鋼骨可由型鋼或鋼板焊接而成。空腹式鋼骨構(gòu)件的鋼骨一般由綴板或綴條連接角鋼或槽鋼組成。外包混凝土可以防止鋼結(jié)構(gòu)的局部屈曲，提高構(gòu)件的整體剛度，不僅節(jié)約了鋼材，還有效利用了鋼材的強度。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)由于配置了鋼骨架，構(gòu)件的承載力得到大大提高，對于構(gòu)件截面尺寸的減小極為有利，避免了形成肥梁胖柱。對于筒倉結(jié)構(gòu)而言，構(gòu)件截面減小可以增加使用面積，更好地滿足了工藝使用的要求。特別是實腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，它具有較大的延性和良好的抗震性能。鋼骨混凝土在耐火度和耐腐蝕度等方面，具有維護費用低的優(yōu)點，能夠產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

在軸心壓力作用下的鋼骨混凝土柱，鋼骨與混凝土具有一致的變形協(xié)調(diào)性，他們作為整體共同承受外力，具體計算過程如下。

首先滿足軸壓比的要求。根據(jù)相關(guān)標準要求，當(dāng)采用16Mn鋼作鋼骨時，軸壓力用下式計算：

當(dāng)采用用Q235鋼作鋼骨時，軸壓力用下式計算：

式（1）和式（2）中，N為軸壓力設(shè)計值，n為規(guī)范要求的軸壓比限值， fc為混凝土的抗壓強度，f ′s為鋼骨的抗壓強度，Ac為混凝土面積，As為鋼骨的面積。

在正常情況下，鋼骨混凝土柱的配筋率在6%左右是較為合理的。根據(jù)（1）式或（2）式，可以計算出柱及鋼骨的截面尺寸。然后計算出柱中鋼筋面積。根據(jù)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊，有

對上述述例子，當(dāng)采用Q345焊接工字鋼鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（腹板400 mm×16 mm，翼緣450 mm×20 mm，截面面積244 cm2）時，經(jīng)計算，柱截面為900 mm×900 mm，構(gòu)造配筋即可滿足要求，且比原柱截面面積降低36%。

二、采用鋼纖維控制裂縫

鋼筋混凝土圓形筒倉壁承受的主要是環(huán)向拉力，所以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的倉壁、水平向的裂紋幾乎是不可避免的。使用傳統(tǒng)方法設(shè)計大直徑混凝土筒倉時，為滿足混凝土筒倉規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度不得大于0.2 mm的要求，在滿足抵抗水平力的基礎(chǔ)上，需要增加50%甚至更多的鋼筋，實際經(jīng)濟效益不佳。本文，筆者以江蘇省新沂某水泥粉磨站Φ8 m×22 m水泥配料庫為例，正常情況下，水泥配料庫庫壁筒倉壁的水平向鋼筋若只需滿足抵抗水平力的要求，則只需配置直徑為8 mm的一級鋼筋既可。但為滿足控制裂縫的要求，實際上應(yīng)配置直徑為14 mm的二級鋼筋。

在建造承受拉力的筒壁時，施工單位通常使用滑膜法施工。在混凝土中摻入鋼纖維，增加了混凝土的和易性，可以有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生。在混凝土中摻入15%的鋼纖維時，混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度可減小40%，但鋼纖維對裂縫間距影響不大。由于鋼纖維對混凝土結(jié)構(gòu)的加固是三維全截面的、整體的、且各向同性的，因此在混凝土中無論哪個部位，鋼纖維都能起到加固作用。

傳統(tǒng)建筑材料混凝土較為突出的缺陷就是其脆性，而且隨著混凝土強度的增加，其延性也逐漸降低。鋼纖維混凝土作為建筑材料建造混凝土筒倉結(jié)構(gòu)，可明顯改善混凝土的抗裂縫性能，對于控制混凝土筒倉壁裂縫具有明顯的效果。