某氣膜鋼筋混凝土筒倉結構設計分析

吳靈宇，徐高翔，邱國志

1 前言

隨著我國經濟的不斷發展和對大型封閉儲料倉需求的日益增高，對建筑環保性、經濟性的要求也越來越高。傳統的鋼筋混凝土筒倉施工難度大，模板費用高，混凝土澆筑困難，需要大量人工，造價普遍較高[1]。而氣膜鋼筋混凝土結構施工采用充氣膜代替常規模板，混凝土采用噴射施工方法，可以節省模板材料，大幅度簡化施工工藝，有效減少人力物力的消耗[2-4]。氣膜結構上部采用球形穹頂，與相同直徑和高度的傳統筒倉相比，氣膜結構穹頂儲倉存儲量明顯增大，抗地震、抗颶風能力強，堅固耐用。另外，氣膜混凝土筒倉密閉性好、防塵，節能環保，不會產生大量建筑垃圾，倉內施工能有效控制污染，有利于在氣候條件復雜的地區使用。

氣膜鋼筋混凝土結構施工技術的主要流程包括：（1）基礎環梁施工；（2）鼓風機吹膜成形；（3）膜內依次噴涂界面劑及聚氨酯層；（4）分層綁扎鋼筋，噴射混凝土；（5）關閉充氣系統，切割洞口。具體而言，首先需要根據結構外形裁剪、拼接出充氣膜，將膜材展平并固定于環形基礎上；然后將鼓風機和噴射器械運入膜內，用風機將膜鼓吹成形；接著依次噴涂聚氨酯保溫層，分層噴射混凝土和綁扎鋼筋；最后切割洞口，完成整個殼體的施工。

圖1 φ60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結構示意圖

2 項目概況

項目研發的直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結構示意圖見圖1，筒倉采用圓形穹頂結構，下部是半徑30m、高17.6m的圓柱面，上部是半徑30m的半球面，總表面積為8 967m2，總體積為106 257m3，采用三條地溝卸料。

3 結構設計與分析

3.1 設計參數

直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉使用階段的荷載主要包括：恒荷載、活荷載、風荷載、溫度作用、料壓荷載。

（1）恒荷載

結構恒荷載包括膜材、聚氨酯、鋼筋混凝土的自重，由于膜材和聚氨酯的剛度相對于混凝土結構的剛度較小，在使用階段的結構設計分析中，偏安全地忽略了膜材和聚氨酯剛度的貢獻，僅考慮施加在結構上的自重荷載；另外考慮倉頂設備恒載50kN，施加在倉頂結構柱腳節點處。

（2）活荷載

結構活荷載考慮混凝土噴射不均勻導致的厚度偏差，大小為1.5kN/m2，考慮一種滿倉均布工況和四種半跨分布工況；另外考慮倉頂設備活荷載120kN，施加在倉頂結構柱腳節點處。

（3）風荷載

基本風壓0.6kN/m2，地面粗糙度類別為B類，用STCAD軟件按照旋轉殼體風荷載體形系數將風荷載轉換成節點荷載的形式。

（4）溫度作用

溫度作用包括整體溫差及內外溫差。由于聚氨酯的保溫作用，不考慮內外溫差的影響，只考慮季節整體溫差，升溫溫差取30℃，降溫溫差取25℃。

（5）料壓荷載

料壓荷載考慮滿倉料壓荷載和偏心卸料荷載兩種工況（圖2），分別包括儲料對倉壁的水平側壓力和豎向摩擦力，滿倉料壓高度為46.6m，偏心卸料最不利料壓高度為31.6m。根據鋼筋混凝土筒倉設計規范GB 50077-2017，用STCAD軟件將儲料的水平力、豎向力分別轉換成節點荷載。

圖2 料壓示意圖

圖3 SAP2000計算模型

3.2 結構建模與計算

采用SAP2000進行結構建模分析（圖3）。考慮殼體與環形支座現澆，支座采用彈簧支座，節點水平剛度K1、K2均為20 000kN/m，豎向剛度K3為無窮大，節點三個方向的轉動剛度均為10 000kN·m/m；單元采用SAP2000薄殼單元，根據卸料口位置進行殼體開洞，結構不同高度處的殼體厚度如表1所示。

表1 殼體厚度

3.3 結構受力分析

（1）恒荷載作用分析

圖4a、圖4b分別為結構恒荷載作用下的環向軸力和徑向軸力。環向軸力呈現下部受壓（高度為0～15m）、中部受拉（高度為15～29m）、上部受壓（高度為29～47.6m）的分布規律；最大軸拉力出現在高度為19m處，大小為222.7kN/m；最大軸壓力出現在結構底部，大小為193.3kN/m。徑向軸力均為受壓，呈現自上而下逐漸增大的規律，最大軸力出現在結構底部，為1 144kN/m。在豎向對稱荷載作用下，薄殼結構受力特點以薄膜內力為主，所受彎矩和剪力很小。

（2）風荷載作用分析

圖5a、圖5b分別為結構風荷載作用下的環向軸力和徑向軸力。環向軸力主要表現為迎風面受壓，背風面受拉的特點；最大環向軸壓力出現在結構迎風面中部區域，大小為18.4kN/m；最大環向軸拉力出現在殼體頂部區域，大小為16.7kN/m。迎風面和背風面均受較為均勻的徑向軸拉力作用，但支座洞口處存在局部壓力和較大的拉力作用。總體而言，風荷載對鋼筋混凝土筒倉結構的作用相比其他工況要小得多。

圖4 恒荷載作用下軸力云圖

圖5 風荷載作用下軸力云圖

圖6 均勻溫升作用下軸力云圖

（3）溫度作用分析

溫度作用對結構的影響與殼體剛度、支座形式等因素有關。以均勻升溫工況為例，在均勻升溫作用下，結構整體產生膨脹，而環形支座相當于“箍”的作用，對結構的環向膨脹變形產生約束，因而在結構底部靠近支座處產生了較大的環向軸力和環向、徑向彎矩作用。圖6a、圖6b分別為結構在溫升作用下環向、徑向軸力云圖。結構環向均為受壓且壓力集中在支座及洞口上方區域，而上部結構環向軸力基本為0，最大軸壓力出現在洞口上方，為2 530kN/m。結構徑向軸力基本為0，但是洞口處存在局部拉力，最大拉力為1 480kN/m。圖7a、圖7b分別為結構在溫升作用下環向、徑向彎矩云圖。在洞口附近產生較大環向、徑向彎矩，最大環向彎矩為153.5kN·m/m，最大徑向彎矩為167.1kN·m/m。

圖7 均勻溫升作用下彎矩云圖

（4）滿倉料壓作用分析

圖8為在滿倉料壓荷載作用下結構外表面環向應力云圖，內表面環向應力云圖與之基本一致。在滿倉料壓荷載作用下，結構環向受拉，整體呈現隨殼體高度上升環向拉應力減小的趨勢，殼頂環向應力基本為0；而在洞口上方區域環向拉應力最大，為19.6MPa。

圖9a、圖9b分別為在滿倉料壓荷載作用下結構外表面與內表面的徑向應力云圖。結構內、外表面徑向主要受拉，但支座上方區域有局部較大壓應力（8.9MPa），洞口上方區域出現最大拉應力，為6.5MPa。

（5）偏心卸料作用分析

圖10a、圖10b為在偏心卸料荷載作用下結構環向、徑向軸力云圖。在偏心卸料荷載作用下結構環向受拉，且拉力沿著料壓方向隨料壓高度的增大而增大；洞口上方出現應力集中，最大環向拉力為25.0kN/m。在偏心卸料荷載作用下，結構徑向軸力沿著料壓方向發生變化，兩側呈受拉狀態，中間為受壓狀態；支座處有較大的局部壓力作用，為16.4kN/m。

圖8 滿倉料壓作用下結構外表面環向應力云圖

圖9 滿倉料壓作用下結構外表面徑向應力云圖

3.4 結構變形分析

用荷載標準組合對氣膜鋼筋混凝土筒倉結構進行靜力計算分析，得到幾組工況下結構的水平位移和豎向位移（表2）。計算結果顯示，偏心卸料荷載對筒倉的水平變形有顯著影響，結構整體向最大料壓側移動，料壓側最大水平位移為75.0mm；而滿倉料壓作用下結構變形相對較小，最大水平位移為9.0mm。導致這一結果的原因是，滿倉儲料的側壓力沿倉壁周圍對稱均勻分布，結構整體起到類似“箍”的作用，形成較大剛度（圖11）；而偏心卸料荷載下水平壓力主要集中于一側，結構剛度較差，故整體產生較大側向變形（圖12）。在均勻溫升作用下，結構產生向上的豎向位移，其中倉頂位移最大，為11.9mm；在均勻溫降作用下，結構產生向下的豎向位移，其中倉頂位移最大，為14.3mm。

圖10 偏心卸料作用下結構軸力云圖

圖11“D+L_A+MP_A”工況下的結構水平位移

圖12“D+L_A+MP_H”工況下的結構水平位移

4 結構配筋計算

通過單一工況下結構受力分析可見，料壓作用對鋼筋混凝土筒倉結構影響較大，而風載影響較小。依據建筑結構可靠性設計統一標準GB 50068-2018和鋼筋混凝土筒倉設計規范GB 50077-201確定組合分析工況，對幾種可能的控制工況下的結構應力進行計算，表3列舉了結構最大環向、徑向的壓應力與拉應力。表3中D、L_A、MP_A、MP_H、Tup、Tdown分別為恒荷載、倉頂滿布活荷載、滿倉料壓作用、偏心卸料作用、均勻溫升、均勻溫降。

表2 幾種組合工況下的結構變形

表3 幾種組合工況下的結構應力

幾種工況的應力計算結果均表現出洞口上方區域應力集中，而結構上部區域應力相對較小的特點。如“1.3D+1.5L_A+1.3MP_A+0.9Tdown”工況下洞口上方最大環向應力為30.7MPa，而洞口上方以外區域，即結構高度為8m以上區域環向應力≯10MPa（圖13）。

圖13“1.3D+1.5L_A+1.3MP_A+0.9Tdown”工況下的環向應力

結構的配筋計算分為以下幾個步驟進行：首先用SAP2000三層板模型進行截面配筋計算，得到各分析工況下截面局部1軸、局部2軸的配筋率；其次通過不同工況配筋結果的對比，得到結構不同高度處最小配筋率包絡值；最后將計算結果導入STCAD，實現結構不同區域的配筋量計算。本文配筋方案有以下幾個優點：（1）采用“三層板”配筋方法，可以考慮扭矩、彎矩和剪力的影響，相比規范中利用偏心受壓公式配筋更加準確；（2）配筋結果利用不同組合工況的計算結果包絡值，保證配筋結果的安全性；（3）根據配筋計算結果對結構進行分區，按區域進行配筋，提高了鋼筋的利用率，避免采用同一配筋率導致鋼筋浪費。另外，因為結構底部開洞處應力集中，配筋量也遠高于上部結構，所以洞口上方1.5m高度范圍內需進行局部加強，根據邊緣洞口應力計算值進行補強鋼筋配筋計算，補強鋼筋沿殼邊緣形成暗梁。布筋方式為雙層雙向布置，最終配筋結果見表4。

表4 配筋方案

5 結語

本文簡要介紹了氣膜法施工鋼筋混凝土結構的新型施工技術，對直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結構進行建模和設計分析，對恒荷載、活荷載、風荷載、溫度作用、滿倉料壓作用、偏心卸料作用等工況進行分析計算，采用“三層板”模型進行殼體配筋，得到以下結論：

（1）氣膜鋼筋混凝土筒倉結構相比傳統筒倉結構，大大簡化了施工，節省了人力、物力和財力，且結構儲存空間大、封閉環保，是筒倉類結構的發展趨勢。

（2）在氣膜鋼筋混凝土筒倉結構正常使用階段的分析和設計中，可以偏安全地不考慮膜材與聚氨酯的剛度貢獻，僅考慮施加在結構上的自重荷載，可按照傳統筒倉結構進行儲料荷載及其他荷載的施加和計算。

（3）風荷載對氣膜鋼筋混凝土筒倉結構作用較小，而滿倉料壓作用、偏心卸料作用影響較大，是結構分析設計中應重點控制的工況。

（4）偏心卸料作用會引起結構較大水平變形，目前規范中尚無相關控制指標，偏心卸料作用對筒倉結構的安全性和穩定性的影響需進一步研究。

（5）采用“三層板”模型對氣膜鋼筋混凝土筒倉結構進行配筋計算，并根據計算結果對結構進行分區配筋，并在洞口處用補強鋼筋加強，一定程度上提高了鋼筋利用率，降低了工程造價。