钢筋混凝土筒仓的设计与探讨

在工业企业中，筒仓是一种常用的储存物料的构筑物。因筒仓自身的结构特点，其筒壁在储料荷载作用下受力均匀、不产生弯矩，且其平面布置可以多种多样，故被广泛应用。

工业企业中的筒仓内的储料具有颗粒大（粒径20-30cm）、容重大及储量大等特点。筒仓的下部出料往往考虑用火车、汽车或者是皮带机运输。筒仓顶多为多层结构，其荷载大、动力设备多，给设计带来了不少困难。筒仓的支撑构件与上部筒身之间的刚度差别大，特别是地震区的筒仓设计，更应重视这种特点。本文结合工程实际对圆筒仓的设计要点进行总结，对一些关键性问题进行讨论并给出建议，希望对今后的工业企业中常用的筒仓设计有借鉴意义。

1.高位料仓的支承结构

高位料仓的支承结构一般采用柱子支承或筒壁支承，支承结构的受力较复杂，在地震区，还须考虑结构自振、动力设备振动、风震及地震力等的共同作用。支承结构的布置需满足仓底部车辆通行的需要，设计时必须注意支承结构与筒仓间的刚度变化，采取措施缓和刚度突变。

地震区筒仓应优先采用筒壁支承形式，通过对地震区筒仓的震害情况分析可得出，采用柱子支承的筒仓倒塌和严重损坏率非常高，在9度烈度区为22%，在10-11度烈度区竟达47%，而采用筒壁支承的却极少倒塌。

1.1柱子支承

柱子支承的筒仓容易破坏的原因，主要是柱子支承存在两大缺陷。一个是仓壁与柱子支承的交界处，存在着明显的刚度突变。事实上，柱子支承结构的刚度远较仓壁支撑的结构刚度小。在地震力作用下，框架式柱子其上、下端的惯性矩可相差70%左右。举例说明，某筒仓仓身直径为9米、壁厚为0.25米，采用框架式6柱支承，柱断面为0.6X0.6米。经计算可知，对于YZ平面，柱子支承部分的惯性矩是仓身部分惯性矩的25%。在地震区，由于构筑物的刚度突变，使之对地震力非常敏感，会造成严重的局部（交接处）应力集中，并导致柱端破坏。二是采用柱子支承的筒仓在结构地震力分析时，计算出的地震力往往比实际小。原因在于柱子支承的刚度远较仓壁支撑的刚度小，柱子很柔，自然反映出来的地震力也小。若不全面分析，就依据此地震力进行支承结构设计，是及其不合理的。事实上，支撑结构柱很柔，自振周期长，对于短周期的地震力而言，自振周期过长的支承柱头，将出现应力集中现象，一旦地震，即导致破坏。因此，在地震区筒仓不宜采用柱子支承的支撑方式。

1.2筒壁支承

筒壁支承即筒仓漏斗支承在环梁上，环梁和支承壁的刚度突变不明显。同时，环梁和筒壁的交接处，还可采用筒壁加腋的办法，缓和其刚度突变。这种支撑形式的筒仓可抵御强大的地震力作用。这一点在地震区筒仓的破坏情况可以证实。就筒壁支承的筒仓而言，设计的关键在于地面处。由于仓下要有汽车通行，需在邻近地面的筒壁上开洞，该洞底一般与地面平齐或略低，洞口大小应满足车辆通行的要求，因开洞削弱了筒壁的有效截面，通常用补强方式进行补偿。在地震区，其做法是在洞口两侧加扶壁柱，增强筒壁的稳定性。

2.深仓支承结构

筒仓内的堆料高度与圆形筒仓直径之比大于或等于1.5时为深仓，小于1.5时为浅仓。深仓最常用的做法是仓底下料口直接在火车、汽车或皮带运输机上卸料。工业企业还往往将这些构筑物直接建于铁路线上，这样，即使无地震时筒仓对筒体的刚度变化也很敏感。近年来，工艺经常要求将动力设备移至仓顶，使筒仓设计更为复杂。这种料仓有时贮料深达20米，漏斗部分所承受的荷载很大。这些均与高位料仓有所不同。

2.1深仓漏斗的结构形式

漏斗可做成钢筋混凝土漏斗和钢漏斗。钢漏斗在受冲击或卸料时振动较大，对支承结构不利。为避免振动通常采用钢筋混凝土漏斗。料斗通常分尖底式和平底式两种。在地震作用下，平底式漏斗稳定性好、易于支承，通常采用平底式漏斗。

2.2深仓的支承结构

(1)仓壁落地支承

深仓通常采用仓壁直接落地的支撑方式，采用支承筒壁与仓底交界处加腋的办法来缓和仓底与支承壁间的刚度变化，若在支承筒壁上开洞，则采用等刚度原则补强。

(2)漏斗内柱支承

深仓的漏斗承受的荷载很大，由此产生的在支承筒壁端部的地震荷载也很大，此时，支承筒壁属于压弯杆件，受力复杂。为改善其受力状态，通常采用4根立柱支承在漏斗下。立柱间距满足通车的需要，柱上端支撑于漏斗下仓底平台的平台梁交点上，内柱与仓底梁形成框架结构。

（3）仓壁与内柱联合支承

这种仓壁、内柱联合支承形式，不仅能支持漏斗的较大荷载，而且改善了整个支承体系的刚度。对联合支承的受力状态可作如下分析：

柱子的受力状态：假定漏斗的料载全部传给柱子，漏斗部分的竖向荷载均由柱子承受。

筒壁受力状态：筒壁荷载由支承筒壁本身承受，筒壁刚度远较框架柱的大，因此假定水平荷载均由筒壁承受。这种简化分析受力明确、计算简捷、结构简单。若筒仓直径较大，而漏斗料载部分传给筒壁，则需要对筒壁进行校核。

3.仓顶结构

仓顶系指仓顶平台及其上的多层建筑。

3.1仓上结构

近年来，仓上结构有向层高大、层数多、荷载大、动力设备多发展的趋势。从结构专业的角度分析，这样做虽然满足了工艺要求，但对筒仓的结构非常不利。笔者认为：仓上结构不宜超过两层，以全钢结构为宜，若需做保温层，也应尽量采用轻质材料；仓上结构和仓顶板上的振动设备，其扰力作用点应尽量布置得靠近柱子,以便使绝大部分振动能量,以最短的距离被柱子所吸收。

3.2仓上结构的平面布置

为叙述方便，把仓顶分为顶板和仓上结构。仓上结构平面布置的关键，是钢架或框架柱柱脚须在仓壁上或仓壁范围内，不宜布置在仓壁范围外，见图a及图b。 

（1）外切四边形平面

工艺专业为了得到更多建筑面积，便于布置各种机械设备，经常要求仓顶结构布置成外切四边形平面，结合图a及b，讨论仓上结构柱子的布置问题。分以下三种情况：

1)柱子布置于梁的中点1（图a），该柱可以看作弹性基础上的一根柱子，计算复杂。同时，在横向荷载作用下，柱子将传给梁一个扭矩，对梁的工作不利。

2)柱子布置于点2（图a），此时，点2处于框架柱传来的力矩作用下，且支承筒壁的局部断面比梁端的要小得多，故在支承处产生的局部应力集中，会使筒壁在该点的受力情况复杂化。但可用筒壁加腋的方法消除其上、下的刚度突变，柱子布置于点2的结构形式也是可行的。

3)柱子布置于点3时，这种布置方式最为不利。一般通行皮带机的筒仓直径约9米，则3-2梁的轴线长度为4.5米，净悬臂长约4米。若为单层仓顶，轻型屋盖，屋面上无特殊荷载，则可在点3处立一根柱子。若仓上结构为多层，有动力设备，荷载大，角柱受力较大，点3处就不宜立柱。

(2)内接四边形平面

由图b可见，这种平面形式的各柱的布置（不管是对仓顶板，还是对仓壁），其刚度均相同。与外切四边形平面布置（点2）相比，优越性明显。

仓顶上梁系的布置，根据仓顶柱的布置而定。当仓顶柱的布置确定后，在条件允许下，应尽量将梁布置成井字形，避免平行布置。井字梁宜与环梁同高。且环梁应有足够的高度，以满足柱脚与梁构造连接的要求。仓顶板是仓上结构的基础平台，要做得有足够的刚度。笔者建议仓顶板刚度为仓顶柱刚度的5倍。

    另外，还要考虑仓顶的鞭端效应和边缘效应。高耸于筒仓之上的仓顶，具有鞭端效应。因此，在设计过程中，仓顶结构内力计算时，建议取放大系数为3。对于仓顶板与仓壁交界处的边缘效应，通常采用仓壁加腋和配筋加密的补强措施。

4.结语

    在筒仓设计中，筒壁和料斗的设计相对简单，但支承结构计算较复杂。尤其是在地震力的作用下，结构对刚度的变化很敏感，而支承与被支承结构之间，总存在刚度突变。故在设计时，应充分利用各种方式、采取有效措施，缓和其刚度变化。

另外，在结构布局方面，要求各构件交接处尽量减少边缘效应，充分发挥各构件的刚度作用，选择最优的结构形式。