鋼結構矩形與圓形斗倉的應用比較

馬 駿 許先杰

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

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鋼結構矩形與圓形斗倉的應用比較

馬 駿 許先杰

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

介紹了鋼渣熱悶處理中鋼料倉常見的結構形式，通過對矩形料倉與圓形料倉的計算，對比分析了兩種結構形式的受力特點與所用鋼板的厚度，為鋼料倉的結構選型提供了依據。

鋼料倉，矩形斗倉，圓形斗倉，用鋼量

1 概述

在工業建筑設計中，例如鋼渣熱悶處理生產線中，鋼料倉作為儲存鋼渣或物料的容器經常被用到。鋼料倉結構分為矩形鋼倉、圓形鋼倉、雙曲線鋼倉以及拋物線鋼倉等結構形式，其中矩形和圓形應用較多。為了對矩形鋼倉和圓形鋼倉用鋼量有個直觀影響，并對工藝選型提供參考，本文對兩種結構形式的鋼倉進行計算分析。

2 計算參數

鋼料倉一般位于室內，計算時不考慮風荷載和地震荷載。

儲料重力密度為：γ=18 kN/m3,30 kN/m3,60 kN/m3；內摩擦角：φ=30°；

側壓力系數：K=tan2(45°-φ/2)=0.333；結構重要性系數：γ0=1.0；

儲料沖擊影響系數：C=1.25；法向壓力系數：ζ=cos2α+Ksin2α；

恒荷載分項系數：γG=1.2；儲料荷載分項系數：γQ=1.3。

3 矩形料倉的計算

3.1 矩形料倉尺寸

料倉邊長：an=bn=5 m,6 m,7 m；料倉豎壁高度hn=3 m；漏斗部分高度hh=3.5 m；入料口尺寸為a×b=800 mm×800 mm；下料口尺寸為ah×bh=1 m×1 m。

矩形料倉尺寸見圖1。

3.2 矩形料倉計算

3.2.1 矩形料倉的幾何特性

計算時按照堆積角度為30°考慮，即堆料坡面與水平面夾角為30°。

料倉總有效容積：V=V1+V2(其中，V1和V2分別為豎倉部分容積和漏斗部分容積)。

斜壁斜高Hn及斜壁與水平面夾角：

其中，n為斜壁編號1～4；cn為由an，bn邊到ah，bh邊的水平距離。

相鄰斜壁n和n+1的相交肋長及該肋與水平面的夾角：

3.2.2 受力計算

儲料臺體重心以下距離s處，單位面積上的豎向壓力標準值：Pv=C·γ·s。

該位置高度處，作用于倉壁單位面積上的水平壓力標準值：Pn=k·Pv。

作用于漏斗壁單位面積上的法向壓力標準值：Pn=ζ·Pv。

3.2.3 壁板及加勁肋計算

1)豎壁計算。對于豎壁，當hn/an≤0.5，按單向板計算；當0.5

2)斜板計算。漏斗部分的斜板，一般采用加勁肋分割成數段，每段為梯形板，可采用下式換算成矩形板進行計算(見圖2)。

3)壁板及加勁肋計算。

a.斜壁彎矩設計值和撓度計算：水平加勁肋和垂直加勁肋可視為斜壁的彈性支點，將斜壁劃分為雙向板或單向板。雙向板可近似按四邊固定板計算：

b.加勁肋計算。根據《貯倉結構設計手冊》第四章第三節矩形斗倉中內容，當加勁肋采用水平布置時，要不垂直于斜壁布置可采用更小截面。本文中只計算采用水平布置的加勁肋計算。水平加勁肋承受的水平荷載標準值，可不考慮斜壁摩擦力的有利影響。

其中，Pna，Pnb均為水平加勁肋處法向壓力標準值；Li和Li+1分別為該加勁肋上下兩板的跨度，m。

一肢水平布置的加勁肋，當漏斗對稱布置時，彎矩設計值為：

其中，C=bn/an;ξ為系數，與加勁肋兩端彎矩有關，可由表格查出。

對于方形方倉，Ma=Mb，C=1，va=vb，ξ=1。

4 圓形料倉的計算

4.1 圓形料倉尺寸

料倉直徑：dn=5m,6m,7m；料倉豎壁高度hn=3m；漏斗部分高度hh=3.5m。入料口尺寸為d=800mm；下料口尺寸為d0=1m。

圓形料倉尺寸見圖3。

4.2 圓形料倉計算

4.2.1 圓形料倉的幾何特性

料倉總有效容積：V=V1+V2。

斜壁與水平面夾角及斜壁斜長：

tanα=2hh/(dn-d0)；l1=d0/(2cosα)，l2=dn/(2cosα)。

4.2.2 壁板及加勁肋計算

為簡化設計，假定鋼板自重和內襯自重約為貯料荷載的8%，轉化為貯料和在建計算。

1)圓形斗倉計算截面處斜壁單位寬度上的環向拉力設計值(kN/m)。在貯料和自重荷載作用下，漏斗頂部的環向拉力設計值為：

Nρ=1.08γQ·ζ·ctgpv2l2。

漏斗底部的環向拉力設計值：Nρ=1.08γQ·ζ·ctgpv1l1。

其中，ζ=cos2α+Ksin2α；pv1，pv2分別為貯料作用于漏斗底部和頂部單位面積上的豎向壓力標準值，kPa。

2)圓形斗倉計算截面處斜壁單位寬度上的徑向拉力設計值(kN/m)。在貯料和自重荷載作用下，漏斗頂部的斜向拉力設計值為：

其中，n=l1/l2；γ為貯料重力密度。

3)圓形斗倉在倉口吊掛給料設備作用下。

Nm2=γGGK′/(πdhsinα)。

其中，GK′為倉口吊掛給料設備荷載標準值。

4)圓形斗倉的強度計算。漏斗壁在薄膜力作用下雙向受拉、其壁板強度計算：

σ=Nmax/A=Nmax/t≤f。

其中，Nmax=max(Nρ，Nm)。

5 鋼料倉計算結果

1)矩形料倉計算結果見表1，圓形料倉計算結果見表2。

表1 矩形料倉計算結果統計表

表2 圓形料倉計算結果統計表

2)矩形料倉及圓形料倉比較分析。比較表1及表2可以得出：a.當矩形料倉邊長和圓形料倉直徑相等時，矩形料倉有效容積遠大于圓形料倉；b.當兩種鋼倉形式有效容積相等或接近時，圓形料倉用鋼量遠小于矩形料倉；c.當兩種料倉尺寸差距不大時，單位容積所需用鋼量，圓形料倉明顯較小。

另外，根據計算和實際受力分析可知，矩形料倉在儲料時，側壁和加勁肋共同形成方框結構，應根據受力計算采用加勁肋。而圓形料倉一般只受環向應力、徑向拉力、壓力等力的作用，一般不需設置加勁肋。

當支撐鋼倉的框架結構尺寸恒定時，矩形料倉可有效利用空間尺寸，盡可能的多儲料。所以，實際設計時，應根據空間情況、施工條件、儲料容積要求、儲料密度以及設備要求等實際情況進行確定。

6 結語

鋼倉不僅有矩形和圓形等結構形式，還有雙曲線料倉和拋物線料倉等結構形式；且鋼倉的支撐方式也分為吊倉或坐倉等支撐方式。所以，在實際應用和工藝選型時，單位容積用鋼量僅僅是其中一個考慮方面。本文僅從計算方面來比較矩形料倉和圓形料倉在單位有效容積的用鋼量。

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[2] 《貯料結構設計手冊》編寫組.貯倉結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

Comparison of application of the steel rectangular and circular silo

Ma Jun Xu Xianjie

(CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.,Ltd,MCCGroup,Beijing100088,China)

The paper introduces common steel silo structure forms in steel slag fever processing. Through calculating the rectangular and circular silo, it compares and analyzes their stress features and steel sheet thickness, which has provided some guidance for steel silo structure selection.

steel silo, rectangular silo, circular silo, steel quantity

1009-6825(2017)07-0036-03

2016-12-24

馬 駿(1980- )，男，工程師； 許先杰(1979- )，男，工程師

TU318

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