水泥厂筒仓与附属钢框架的抗震分析

2012-04-23胡存贵葛晓

城市建设理论研究 2012年35期

胡存贵葛晓

【摘要】:筒仓是一种运用很广的贮存设施，为了确保其使用安全我们一定对其做好抗震设计，文章对水泥厂筒仓及其附属钢框架的抗震进行了分析。

【关键词】：筒仓；钢框架；抗震分析

中图分类号： TU352.1+1文献标识码： A 文章编号：

引言

筒仓是贮存散料(例如：煤、矿石、水泥、砂、石、谷类等)的构筑物，可作为生产企业调节和贮存用料的附属设施，也可作为独立的仓库。钢筋混凝土筒仓可采用现浇、预制、预应力和非预应力结构。目前我国以非预应力的普通钢筋混凝土圆筒仓应用最为广泛。

一、筒仓的支撑结构

筒仓的下支承结构一般采用筒壁支承、简壁与内柱共同支承三种形式。在抗震设防区应优先采用筒壁支承和筒壁与内柱共同支承两种形式。仓下支撑结构的选型，应根据仓底形式、基础类别和工艺要求综合分析确定；当直径大于等于15m的深仓，宜采用筒壁与内柱共同支承的形式。

筒仓的基础选型，应根据地基条件，上部荷载和上部结构综合分析确定。当地基比较软弱时，宜采用桩箱或桩筏基础。地基土较好时可采用箱基、筏板、环形或单独基础等形式。在群仓基础设计中，应考虑空仓与满仓的最不利组合。筒仓基础的倾斜率不宜超过0．496，平均沉降量不宜超过200mm。

当采用带壁柱的筒壁支承时，筒仓壁柱可按环形布置。验算带壁柱的筒壁水平截面承载力时，壁柱顶端承受的集中荷载可按45度扩散角向两边的筒壁扩散，同时尚应验算壁柱顶面的局部受压承载力。

当采用筒壁支承结构时，筒壁上开有洞口，当洞口间筒壁的宽度小于或等于5倍壁厚时，应按柱子进行计算，以保证两洞口间狭窄的筒壁在荷载作用下有足够的强度和稳定性。其计算长度可取为洞高的1．25倍。

二、结构布置与选型

1、结构布置

筒仓之间或筒仓与相邻的建筑物(或构筑物)之间。如属下列情况之一，应设置防震缝。

(1)两筒仓的平、立面变化较大，刚度相差悬殊；

(2)筒仓与邻接的附属建筑物之间：

(3)设计烈度为7度，场地土为Ⅲ类土，或设计烈度为8度，筒仓与相邻的建筑物(或构筑物)的连接结构之间。

2、结构

圆形筒仓仓顶可采用钢筋混凝土梁板结构．直径大于等于21m的圆筒仓或浅圆仓仓顶可采用钢筋混凝土整体、装配整体正截锥壳、正截球壳及具有整体稳定体系的钢结构壳体或网架结构，其与仓壁的连接宜采用静定体系。支承在筒仓顶上的通廊、栈桥或其他结构应采用简支方式与其连接。仓上建筑物按抗震设计时。承重结构宜采用钢筋混凝土框架结构，钢结构或与筒仓壁等厚的圆形壁到顶，仓上建筑物的围护结构宜采用轻质材料。并应满足防火等级的要求。

3、柱支承筒仓和筒壁支承式筒仓的计算分别按单质点体系和多质点体系来计算地震荷载。

三、钢筋混凝土筒仓支承系统的抗震设计分析

根据大量的实践调查数据分析可知，筒仓最容易受到地震灾害威胁的是其支承系统。如果支承混凝土筒仓的砌体结构被地震破坏，整个仓体就肯定会随之坍落。

1、设计钢筋混凝土筒仓的仓底支承结构

钢筋混凝土筒仓的仓底支承结构有柱支承、筒仓内壁支承、仓壁与内柱共同支承等形式。钢筋混凝土筒仓所储物料一般都会比较重，采用柱支承结构很容易因为筒仓的重心较高而容易遭到地震的破坏，实际情况中这类筒仓坍塌的比例也较大。因此从抗震方面考虑，我们会优先选用筒仓内壁支承结构和仓壁与内柱共同支承结构。当然，选择具体的仓下支承结构还需要根据筒仓的底部现状、储物类别以及地基环境等其他工艺要求进行综合分析。如果筒仓深度与直径都较大，我们一般要选用仓壁与内柱共同支承结构。如果迫于实际情况不得不选用柱支承，因为柱支承传统遭破坏往往从支承、支承筒连接仓壁的部位开始出现刚度突变，导致应力集中，出现断裂等现象。我们的抗震设计就一定要对支承柱的柱头与柱脚重点予以关注和加强。

2、设计钢筋混凝土筒仓的基础选型

选用何种筒仓的基础类型应该主要根据地基条件、物料荷载以及上部的结构等各方面的综合分析来确定。（1）地基比较软弱，大多采用桩箱或者桩筏的基础，抗震系数较大；（2）地基的土质较好，一般选用箱基、筏板、环形或者单独基础等基础类型。（3）仓底支承结构为仓壁支承时，仓壁上会留有洞口，要采取相应措施确保洞口之间的筒壁具备一定的强度与稳定性。（4）仓底支承结构为仓壁与内柱共同支承的，应该环形布置其筒仓的内壁柱，充分验算筒壁在带壁柱的情况下水平截面承载力与局部的受压承载力。

对筒仓基础进行设计时，一定要充分考虑到空仓和满仓两种极限条件下的最不利组合，保障其抗震指数，将筒仓基础的倾斜率指标与平均沉降量指标控制在一定的范围内。

四、钢筋混凝土筒仓结构布置与选型的抗震设计分析

1、布置抗震性强的筒仓外部结构

筒仓体积一般都比较大，因此一定要注重筒仓与筒仓，与相邻的建筑物的结构布局。如果筒仓与筒仓之间的平面和立面变化都比较大，而刚度有较大的悬殊，一定要设置防震缝；在筒仓和邻近的建筑物及其附属建筑物之间都应该设置防震缝。

2、筒仓的仓顶的抗震设计

仓顶结构多采用钢筋混凝土的梁板结构，如果筒仓的直径过大，或者筒仓较浅，则可以考虑采用钢筋混凝土的整体、装配整体的正截锥壳、正截球壳以及具备整体稳定系统的钢结构壳体或者网架结构，仓顶与筒仓壁的连接体系则应该采用静定体系。

3、筒仓其他部位的抗震设计

对于那些支承在筒仓顶部的通廊、栈桥以及其他细节结构都应该采用简支的方式与相应部位进行连接。一些仓上的建筑物也应该一个按照抗震要求进行设计。其承重结构也应该采用钢筋混凝土的框架结构，钢管结构或与筒仓壁厚度相似的圆形壁到顶，其围护结构则多采用一些轻质材料。

4、准确计算地震荷载

对筒仓的设计根据实际情况选用单质点体系或者多质点体系，再按照相关标准计算出筒仓质量、柱顶位移、结构底部的剪力等数据，准确计算出筒仓顶部建筑与筒仓重心处的水平地震荷载，并且应该考虑到边端效应而适当放大载荷。

五、附属钢框架抗震分析

筒仓附属结构抗震设防的结构除进行地震作用下的弹性效应计算外，尚应计算结构在罕遇地震作用下进入弹塑性状态时的变形。因此，采用两介段设计法。第一阶段为多遇地震作用下的弹生分析，验算构件的承载力、稳定性及结构的层间位移；第二阶段为罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间位移和层间延性比，找出结构的薄弱层位置，防止在水平地震作用下，由于局部先形成破坏机构，引起结构整体失效。

（1）进行结构的作用效应计算时，遵循楼面在其自身平面内为绝对刚性的假定。

（2）在进行结构弹性分析时，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作，梁的刚度根据具体情况可取钢梁刚度的1.5－2倍；在进行结构弹塑性分析时，不考虑楼板与钢梁的共同工作。

（3）抗震设计时，钢框架一砼核心筒结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。因为在钢框架一砼核心筒结构中，砼核心筒承担了绝大部分的地震力，钢筋混凝土抗震墙的弹性极限变形值很小，约为1/3000，在达到规范规定的变形时，钢筋混凝土抗震墙已开裂，此时钢框架尚处于弹性阶段，地震力在抗震墙和钢框架之间实行再分配，钢框架承受的地震力增加，而钢框架作为主要的承重构件，它的破坏和竖向承载力的降低，将危及房屋的安全，因此对钢框架承受的地震力作更严的要求。

五、对附属钢框架的抗震设计要求

1、对结构布置的要求

（1）建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案，应尽可能做到结构体形简单、平面规则对称，同时建筑中抗侧力结构的布置应尽可能的均匀、对称，使建筑各楼层的总体刚度中心尽可能与楼层的质量中心相重合或相接近，并应尽可能使房屋的刚度和质量沿竖向均匀连续、没有突变。

（2）钢结构建筑宜避免采用不规则建筑结构方案，为了避免地震时与筒仓之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于筒仓高度的1.5 倍。

2、对结构设计的要求

（1）附属钢框架结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期远离场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。

（3）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。附属钢框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌结构。

结束语

当然，筒仓抗震设计也应该体现在具体的制作施工过程中，因为混凝土对气候、天气等因素非常敏感，因此在钢筋混凝土筒仓制作过程中一定要对混凝土坚持合理的配比，精准地生产，进行高标准的施工管理，并在使用过程中进行必要的养护和维修，以保证其施工质量达到抗震标准。

参考文献：

[1]JGJ3-2002.高层建筑结构混凝土技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.