非规则曲线钢料仓的设计

文/姜宁海、王雯 复地集团股份有限公司南京公司 江苏南京 210000

非规则曲线钢料仓的设计

文/姜宁海、王雯 复地集团股份有限公司南京公司 江苏南京 210000

南京钢铁集团有限公司江边料场地上料仓，其平面及立面布置均不规则，体形复杂，料仓竖向剖面为指数曲线,并且下料口偏心，给设计和施工提出课题。文章介绍不规则料仓的结构方案的思路及建模计算的方法，供同类结构设计时参考。

指数曲线料仓；不规则；改进；结构方案；计算模型；施工措施

1、工程概况

南京钢铁集团有限公司江边一次料场三期工程是江边一次料场中汽车卸料、杂矿处理系统，它担负着汽车进厂原料的受卸、转堆任务，以及公司内各生产厂生产的含铁废弃物和外购类似物的混合处理任务。它分为地下受矿槽和地上受矿槽两部分，其中地上受矿槽设直供大料仓3个，几何体积208m3，有效容积165 m3，最大储矿Q=460t/仓。此料仓分上下两部分，上部分水平剖面为矩形，下部分的横截面为矩形竖剖面为指数曲线。另有6个小配料槽。设计均采用钢结构。大料仓下料口下设带式给料机，小料仓设圆盘给料机大小料仓下共用一条输送皮带机，为协调两者的关系，大料仓下料的中心线向左偏心0.7m，小料仓的下料中心线向右偏心0.7m，因此大小料仓体形均不对称，工艺的复杂性对钢料仓结构设计带来一定的难度。

2、工艺和结构相配合对料仓的进一步的改进

最初工艺提供的大料仓见图1。设计时每侧按上下两块双向钢板设计，而计算时，上下两块连接板的边界条件无法确定。考虑简支和固端都不合适，两板连接处是料仓弯矩和变形最大的地方，为了能够计算，想了很多方法，只有在上下两板连接处设水平支撑，保证其点处为简支点，有弯矩而没有水平变形，把水平力传给框架，但这样以来，料仓的中部有许多水平杆，外观上非常难看，与工艺商量，料仓的四面最好均为指数曲线的一块整板，但按指数曲线公式计算下来图形，有两条曲线弯曲很大见图2，料仓有一曲线角度小，不利下料，而且总贮存容量减少很多。为了解决这个问题，按料仓四角每一个边的上口和下口连接的直线方程算出的水平长度加上料仓四角按指数曲线算出的水平长度和的一半得出一新的指数曲线方程，曲线变的平缓，改善下料角度并且料仓的体积也增大，经核算和原来工艺提的料仓的容积接近，通过这样改进，结构受力明确，料仓的外形也美观，经改进指数曲线方程为以下三个式子：

图1 大料仓最初工艺

图2 大料仓曲线类型

A-B轴 线 左 曲 线 X=(0.47+0.47e0.250439783y＋0.409411764y)/2

A-B轴 线 右 曲 线 X=(0.47+0.47e0.250439783y＋0.244705882y)/2

另外两侧为对称的两条指数曲线：

1－2轴线左右两条曲线 X=e0.138665293y

料仓的原工艺图，经两次的改进，最终选择图2中曲线2方案，即直线与指数曲线折中的方案。

3、非规则大曲线钢料仓的设计

3.1 结构方案

大料仓上口长7m，宽7m，下口长2m，宽0.96m，并且下口中心线偏上口中心线0.7m，料仓总高10m，为受力明确，沿料仓高度，在料仓的等距离位置设水平加劲肋，由于料仓是曲线料仓，斜板如设纵向加劲肋，给施工造成很大的困难，设计时减小水平加劲肋的间距和适当增加钢板的厚度，使板不需要加纵向加劲肋就能满足强度和变形的要求。本工程水平加劲肋间距650mm，厚度12mm，水平加劲肋采用角钢肢尖与料仓焊接，保证施工时焊接为水平封闭环形箍。水平加劲肋之间的壁板按两边简支的板计算，壁板单向受弯并承受斜向拉力；水平加劲肋除承受相邻侧壁传来的水平拉力外，还承受壁板和垂直加劲肋传来的法向荷载引起的弯矩。指数曲线料仓可分段按斗型钢料仓计算贮料压力、仓壁压力，并取最大内力计算仓壁强度。计算某段斗仓内力时，该段斗仓以下各段贮料荷重和仓壁自重均作为吊挂在该段斗仓下口的吊挂荷载进行计算。

3.2 指数曲线钢料仓的计算

3.2.1 漏斗壁任意深度处，作用于单位面积上的法向压力标准值

3.3.2 水平加劲肋之间斜壁板的验算

(1) 板的斜向拉力：Ni＝Nvi/sinαi

其 中 Q为 物 料 荷 载 见：Q=rV；V=anbnhn+hh((2an+a0)bn+(2a0+an)b0)/6

G计算截面以下漏斗自重＋斗口吊挂给料设备荷载，初步估算 矩形料仓：Gk＝0.1kN / m3xV

(2) 斜板的水平拉力

斜壁承受相邻斜壁在贮料法向荷载和仓壁自重作用下对该壁产生的水平拉力：

(3) 斜壁所受的弯矩，可近似看为四边固定板计算：

(4) 构件强度计算： N/A+M/rW≤f

3.2.3 料仓水平加劲肋的计算

(1) 水平加劲肋承受的水平荷载

(2) 水平加劲肋承受相邻斜壁引起的水平拉力设计值

(3) 用力矩分配法求水平框架的跨中和支座弯矩

(4) 加劲肋的最大挠度

(5) 水平加劲肋强度

Nh/A+M/rW≤f

公式符号及意义见参考文献1《贮仓结构设计手册》

4 、计算成果

本工程大料仓设计从上到下共分五层，斜板和水平加劲肋的计算图表略。

(1) 斜板计算结果表（略）

(2) 水平加劲肋的计算结果最大正应力发生在第二层 142kN/m2，剪应力均较小。三层到五层的结果小于一、二层。计算满足要求。

结论：

工业建筑出现复杂结构情况较多,设计人员建立计算模型和受力简图是关键。本工程由于体形较特殊，结构计算模型较难选择，要同工艺协调，在满足工艺的情况下，合理建模，满足设计的强度和刚度的要求，兼顾施工制作的便利。当受力复杂时，应在设计过程中加强构造措施来提高结构的安全性。本文介绍的这种特殊的料仓结构投入使用后情况良好。

[1]《贮仓结构设计手册》中国建筑工业出版社1999.

姜宁海（身份证号：32010619681204165 6），1968年出生，男，民族汉，籍贯山东威海，本科，工程师，研究方向为钢结构设计、结构改造、房地产业结构设计管理。曾任南京钢铁集团有限公司设计部土建室负责人，现任复地集团股份有限公司南京公司结构设计管理负责人。