兩種典型糧食鋼筋混凝土淺圓倉倉頂形式設計探討

◎ 向 毅，王 準，楊方德，李 濤，游 赟

（1.中儲糧成都儲藏研究院有限公司，四川 成都 610000；2.鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

糧食鋼筋混凝土淺圓倉是指高徑比≤1.5的鋼筋混凝土筒倉，其因倉容大、氣密性好、占地小、機械化程度高及經濟性好而廣泛應用于糧食行業[1]。糧食鋼筋混凝土淺圓倉倉頂結構形式常見有正截圓錐殼結構（簡稱錐頂）、穹頂結構。兩種結構形式均有傳力路線明確、承載力高、外形美觀及經濟適用等特點。在外荷載下處于空間受力狀態，剛度大、抵抗外荷載能力強、抗震性能優良。在均布對稱荷載作用下，內力以壓應力為主，彎矩和扭矩都很小，能夠充分發揮混凝土抗壓強度高的特點。現以成都市溫江區低溫庫改擴建項目為例進行分析。

1 項目概況

成都市溫江區低溫庫改擴建項目位于成都市溫江區，抗震設防烈度為7度0.1 g，第三組。建設2個直徑20 m的淺圓倉，裝糧高度23.75 m，檐口高度26.50 m，倉頂高度4 m。根據工藝給定的條件，擬定兩種倉頂結構方案，方案一為錐殼結構，板厚度200 mm，倉頂與水平面的夾角25.2°；方案二為穹頂結構頂，板厚200 mm。從結構受力、施工、工程造價和使用便捷4個方面對兩種倉頂結構方案進行分析。

2 結構受力

利用結構有限元程序Midas Gen建模分析。結構如圖1、圖2所示。

圖1 錐頂結構圖

圖2 穹頂結構圖

2.1 風荷載

根據《建筑結構荷載規范》，風載荷的計算公式為：

式中，wk-風載荷標準值；βz-高度z處的風振系數；μs-風載荷體形系數；μz-風壓高度變化系數；w0-基本風壓。

本項目中，βz、μz、w0均相同，只需比較μs。根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）[2]表8.3.1第36項旋轉殼頂，按式（2）、式（3）計算，結果如表1、表2。

式中，f-矢高，l-跨度，φ-仰角。

表1 錐頂結構μs表

表2 穹頂結構μs表

綜合分析可知，錐頂和穹頂均受風吸作用，在相同位置，穹頂結構所受風荷載作用均小于或等于錐頂結構。穹頂結構抵抗風荷載作用更強，更適于在臺風或颶風高發地區修建。

2.2 地震作用

采用振型分解反應譜法計算，選取前5階振型比較位移。結果見表3。

經過各階振型的位移計算，穹頂結構在地震荷載作用下的位移小于錐頂。從各階振型的位移云圖（圖3～圖7）可知，穹頂結構的變形更加均勻，受力性能更優。

表3 各階振型位移比較表（單位：mm）

圖3 第1階振型位移云圖

圖4 第2階振型位移云圖

圖5 第3階振型位移云圖

圖6 第4階振型位移云圖

圖7 第5階振型圖位移云圖

2.3 倉頂均布活荷載

按上人屋面，倉頂活荷載為2 kN·m-2，比較同一工況下的兩種倉頂結構在A、B、C、D、E點的變形和內力。

在同一工況下，兩種倉頂形式的位移如圖8、圖9所示，差值見表4。

圖8 錐頂位移圖（單位：mm）

圖9 穹頂位移圖（單位：mm）

從表4可以看出，在A點處兩者位移非常接近，但在其余部位，錐頂結構的豎向變形均大于穹頂結構；穹頂結構的變形非常均勻，而錐頂結構的變化較大。

表4 兩種倉頂位移比較表（單位：mm）

同一工況下，兩種倉頂形式的環向力如表5。從表5可以看出，錐頂結構在支座位置處（A點、C點）內力大，在跨中位置處（B點）內力小，兩者的絕對值差值為25.6 kN。穹頂結構在支座位置和跨中位置的絕對值差值7.5 kN。比較得知，穹頂結構受力均勻，空間性更好。從兩種形式的倉頂對應位置的內力差值來比較，除中點（B點）外，錐頂結構均大于穹頂結構。

表5 兩種倉頂環向力比較表（單位：kN）

在同一工況下，比較兩種倉頂形式的徑向力如表6。經分析計算得出，錐頂結構在支座位置處（A點、C點）內力大，在跨中位置處（B點）內力小，兩者的絕對值差值為14.3 kN。穹頂結構在支座位置和跨中位置的絕對值差值0.4 kN。比較得知，穹頂結構受力均勻，空間性更好。從兩種形式的倉頂對應位置的內力差值來比較，支座處（A、C點），錐頂大于穹頂。其余位置，錐頂小于穹頂。

表6 兩種倉頂徑向力比較表（單位：kN）

在同一工況下，比較兩種倉頂形式的繞X向彎矩如表7。兩種倉頂形式X向彎矩均較小，不同結構倉頂無明顯差別。

表7 兩種倉頂繞X向彎矩比較表（單位：kN·m）

在同一工況下，比較兩種倉頂形式的繞Y向彎矩如表8。兩種倉頂形式Y向彎矩均較小，可忽略不計。

表8 兩種倉頂形式繞Y向彎矩比較表（單位：kN·m）

2.4 倉頂電纜吊掛荷載

每個倉24個點吊掛電纜，每個點按公式（4）[3]，帶入數據計算得69 kN。

式中，μs-糧食對電纜摩擦系數，為0.3；Pv,k-深度s處水平面上的靜態垂直壓力標準，為132 kPa；γs-糧食重力密度，為8 kN·m-3；μ-糧食對倉壁的摩擦系數，為0.4；ρ-筒倉截面水力半徑，為5 m；Kd-電纜荷載動態修正系數，取2。

從圖10電纜吊掛荷載下倉頂位移云圖可以看出，在最大位移均在吊掛點處，錐頂最大豎向位移為0.755 mm，穹頂最大豎向位移為0.657 mm。可以看出穹頂在吊掛電纜荷載下的受力優于錐頂。

圖10 電纜吊掛荷載下倉頂位移云圖（單位：mm）

3 結構施工

本文僅對倉頂結構進行分析，筒身及基礎等不做詳細討論。兩種結構形式的倉頂常規施工方法均采用在檐口處設置預埋件，搭設傘形鋼模板的方法施工。根據成都市溫江區的實際情況調查得知，現市場上錐頂鋼模板較為常見，且能適應不同直徑和高度的倉頂，易于調節大小。而穹頂需要弧形鋼模板，隨著倉頂直徑和高度的變化，弧形鋼模板難以靈活調整。且四川地區市面上沒有現成的弧形鋼模板，如采用外地調運，則需要長距離運輸，加大工程造價。從施工便捷性比較，在現有的市場上，錐頂明顯優于穹頂。但在保溫層和防水層施工時，穹頂更為平緩，施工更便捷，施工質量更易得到保證。

3.1 工程造價

穹頂的混凝土為72.9 m3，錐頂混凝土為69.5 m3，兩種倉頂結構形式的混凝土和鋼筋用量無明顯差別。工程造價差異主要體現在施工費用上，根據成都市溫江區的實際情況，本地區沒有弧形鋼模板，如果采用需要從河南等地運輸至項目所在地，經過測算，采用穹頂施工費用比錐頂高約30%。

3.2 運行維護

錐頂和穹頂均能滿足工藝需要，但在使用上有一定的差別，與錐頂相比，穹頂倉頂更平緩，人員行走和設備安裝更便捷。

4 結論

本文通過綜合比較淺圓倉錐頂和穹頂結構形式，得出如下結論：①穹頂的受力性能明顯優于錐頂結構，在倉頂荷載較大、地震烈度高、風大的地區優勢更為明顯。②就一般地區而言，弧形鋼模板較少，施工費用穹頂明顯高于錐頂。但如果項目所在地有弧形鋼模板可用，則無明顯差別。③穹頂使用上優于錐頂，如果建設方對淺圓倉的使用要求較高，可優先選擇穹頂結構。因此，如果項目所在地區有弧形鋼模板，筆者更加推薦使用穹頂淺圓倉。