组合式筒仓钢骨架结构选型研究

马梦云 唐敢 尹凌峰 庄红

【摘 要】筒仓结构在粮食存储方面发挥着重要作用。论文研究了一种受力性能合理高效而且能提供良好温控性能的新型筒仓，即超大型圆台状钢—索—竹组合式筒仓结构。对一个115英尺的圆形筒仓，仅在储料荷载下进行模拟分析，通过参数化计算，对筒仓钢骨架结构体系进行初步选型与分析，从而得出此算例下相对比较合适的布置方式以及梁柱截面尺寸。研究结果表明：在本案例中，环梁间距宜控制在1～2m之间；立柱的截面尺寸与环梁的截面尺寸密切相关，应根据不同的要求采取不同的布置方式。

【Abstract】The silo structure plays an important role in the grain storage. The paper studies a new type of silo that with reasonable and efficient mechanical performance and good temperature control performance， that is， super large round steel cable bamboo composite silo structure. A simulation analysis of a 115 foot circular silo under storage load is carried out. Preliminary selection and analysis of steel skeleton structure system of silos is carried out through parametric calculation， so as to get the relatively appropriate layout and beam column section size under this example. The results show that in this case， the spacing between girders should be controlled between 1～2m. The sectional dimension of column is closely related to the sectional dimension of ring beam， and different arrangement methods should be adopted according to different requirements.

【关键词】钢骨架结构；储料荷载；参数化

【Keywords】steel skeleton structure system； storing load； parametric calculation

【中图分类号】TU391，TU398+.9 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）10-0150-02

1 引言

筒仓结构广泛应用于农业、矿业、化工等诸多领域中的散料储存[1]。随着粮食流通体制的不断改革，具有中转、存贮功能的筒仓得到了更为深入的研究和应用，特别是容量较大的筒仓，大型化和超大型化是粮食筒仓发展的趋势[2]。

不难发现，现有的国内外超大型筒仓多为钢筋混凝土仓（高度可达到60多米）[3]。随着钢筒仓的不断发展，虽然出现了仓容超过了10 万吨（直径达到100m）的落地式钢筒仓，但大部分钢筒仓的仓容小于1.6 万吨。由于储粮荷载的大小与筒仓高度直接相关[1]，因此钢筒仓仓容的发展主要是采用增大直径的方法，这显然不利于节省使用土地。同时，目前钢筒仓的保温设计大多数采用外涂保温材料，虽然在能一定程度上起到保温效果，但不能参与整体受力，且价格不菲[10]。怎样协调钢筒仓保温性及其经济性，是筒仓研究的热点与难点。

本文研究的超大型圆台状钢-索-竹组合式筒仓主要是由环梁和立柱组成的钢骨架、竹材仓壁板、仓顶、钢索组成，示意图如图1。该筒仓可通过调整自身的杆件布置、材料分布等方式很好地完成储料荷载作用下的传力路径的自调节过程，同时通过“立体通风+隔热导温”方式来达到温度调控的目的。该新型筒仓已获得国家知识产权局的专利授权[4]。

其中，筒仓钢骨架结构除了可以很好地约束筒仓整体和竹材仓壁板的变形外，还为竹材仓壁板提供边框[5]。筒仓结构主要受储料荷载的作用，而且一般作用时间比较长[6]；同时考虑圆台状仓壁倾角较小且对网格划分无太大影响，因此本文对圆形筒仓结构进行储料荷载作用下的有限元模拟，通过参数计算，对钢骨架结构体系进行初步选择和分析，得到合理的网格划分方式、网格尺寸和杆件截面。

2 有限元模型建立

本文以115英尺的圆形筒仓为算例进行钢骨架结构的选型分析，筒仓直径D=35.052m，高H=32m。

按筒仓分类，本文筒仓为浅仓，储料荷载的计算方法见《粮食钢板筒仓设计规范》[1]。对钢骨架施加储料荷载的方式为：将筒仓不同高度处竹材仓壁板的受力简化为点荷载施加在对应高度处环梁节点上。本筒仓主要用于储存粮食，按大豆计算，其容重γ=7.5kNm3，大豆与竹板的摩擦系数为0.2。

3 钢骨架的布置方式

3.1 环梁布置方式

本节对环梁布置的方式进行了一定的初步调查和研究，主要将他们分成了两大类，①环梁沿全高均匀分布，间距分别为4m、2m、1m；②底部局部加密0～16m间距2m，16～32m间距4m；0～16m间距1m，16～32m间距2m。共建立五个基本计算模型，仅仅对储料荷载下的筒仓强度这一问题进行了分析，通过进行调整每一道环梁截面的尺寸，并将其环向最大应力比例尽量控制在0.8～0.85之間，从而得出了不同计算模型的总用钢量分别为159t、171t、173t、173t、177t。

可知：考慮竹板的承载力及尺寸问题，环梁间距宜控制在1～2m之间；环梁间距对结构用钢量影响不大。

3.2 立柱布置方式

在仓顶结构构件的在允许应力范围以内的情况之下，环梁是按3.1节较优布置，对立柱按不同的布置方案进行了优化分析。对仓壁板来说，储料产生的法向侧压力是对称分布的，因此不考虑其稳定问题，仅将立柱作为压弯构件考虑其强度问题。立柱考虑采用变截面H型钢。得到在此模型下立柱布置为48根较节省。

3.3 梁柱整体布置方式

本节在2、3节布置方案粗略的计算分析上，选择48根立柱进一步优化：

优化方案一：0～18m内环梁间距1.5m；18～32m内环梁间距2m。

优化方案二：1.5～7.5m内环梁间距1m；7.5～18m内环梁间距1.5m；18～32m内环梁间距2m。

对两种优化方案下计算模型按3.1节中方法进行有限元计算分析，不同标高处环梁与立柱的截面尺寸及其最大应力比。

可知：两个方案的总用钢量基本相同，用钢量的不同主要在筒仓底部处；优化方案一中筒仓节点径向位移比优化方案二大，但是相差不多，方案一的最大值为20.439mm、方案二的为20.131mm；优化方案一的杆件数少于优化方案二；综合考虑，方案一为该算例下钢骨架结构较优布置方式。

4 结语

本文介绍了超大型钢-索-竹组合式筒仓的结构形式，并对储料荷载下圆形筒仓钢骨架结构体系进行了有限元模拟分析，建立了多个模型，得到了算例筒仓钢骨架结构的较优选型，主要结论如下：①环梁的布置方式：1～2m为环梁较适宜间距；考虑到环梁与立柱连接方式，可通过局部加密的方法来减小环梁截面的尺寸。②立柱的布置方式：立柱布置方式改变对结构强度影响不大，可根据实际要求改变柱的布置方式以适应环梁截面尺寸。③此算例下较优布置方式为：0～16m内环梁间距1.5m、16～32m内环梁间距2m，立柱沿环向均匀布置48根（方案一），因为此时立柱和环梁总用钢量较小，杆件数较小，节点径向位移较小。

【参考文献】

【1】中华人民共和国建设部.粮食钢板筒仓设计规范GB50322-2011 [S].

【2】滕锦光，赵阳.大型钢筒仓的结构行为与设计[J].土木工程学报，2001，34（4）：46-55.

【3】崔元瑞.我国储料构筑物建设的发展和回顾[J].特种结构，2000，17（1）：8，68.

【4】苏瑞杰，郭志博. 超大型筒仓系统发展分析[J].华电技术，2014，36（12）：43-46.

【5】庄红.储料荷载下超大型钢筒仓自调节传力路径研究[D]. 南京： 南京航空航天大学， 2014.

【6】Nateghi F， Yakhchalian M. Seismic Behavior of Reinforced Concrete Silos Considering Granular Material-Structure Interaction[J]. Procedia Engineering， 2011（14）：3050-3058.