扶壁柱支撑半地下混凝土平房仓结构性能分析

金立兵，李中原，张庆章，咸庆军，李 昭

河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001

我国每年对粮食的需求量在5亿 t以上，1998—2005年在国家粮食储备库建设期间，平房仓建设仓容占总仓容的85%以上[1]。近年来，平房仓装粮高度已达8 m以上，部分高大平房仓装粮高度突破12 m，但占地面积大仍然是突出问题。王森[2]基于颗粒流(二维)理论建立平房仓结构缩尺模型，通过模拟散体与平房仓结构缩尺模型的相互作用试验，探讨了平房仓结构与散体的相互作用规律。丁永刚[3]利用有限元软件分析填充砌块强度对粮食侧压力作用下密肋复合墙体受力性能的影响，认为填充砌块对墙体的抗弯刚度有很大的贡献。孙文倩[4]对双T板屋盖的平房仓粮库进行受力性能分析，提出了双T板与柱顶圈梁之间最合理的连接构造方法。刘岳君[5]通过对不同柱脚的结构设计形式的受力性能、变形情况进行对比分析，发现了柱脚和基础设计的相关规律与特性。对大跨度散装平房仓柱下独立基础地基承载力问题，运用不同的计算方法进行对比分析，提出更实用的独立基础地基承载力计算方法[6-8]。黄鹂[9]通过对不同跨度、不同堆粮高度的平房仓排架柱进行受力分析，发现随装粮高度的增加柱配筋量增长较快，相同装粮高度时，柱配筋量随跨度增加基本保持不变。刘永超[10]采用三维颗粒流分析软件PFC3D建立了平房仓的缩尺模型，发现受装粮高度、摩擦力和堆积时间等因素的影响，单点的粮堆底部压力与粮堆高度呈近似线性关系，但粮堆底部压力整体上分布是非均匀的。范量[11]分析了粮食平房仓基础设计的偏心问题，确定了基础偏心距的合理取值。陈家豪[12]通过对高大平房仓散装粮粮堆底部压力进行PFC离散元模拟，得出粮堆底部竖向压力与粮堆堆积高度之间的联系。

以上研究主要集中于平房仓的构件层次，没有解决装粮高度增加导致粮食荷载效应过大的问题。作者通过对不同扶壁柱高度、角度、装粮品种及装粮高度的半地下平房仓结构进行受力分析，为节约土地、提高仓容、保证粮食品质提供理论支撑。

1 工程概况

天津利达粮食半地下平房仓项目位于天津市，共建9个半地下平房仓，总仓容达16万t，平房仓仓身长度60 m，跨度30 m，装粮高度16 m，场地为Ⅲ 类场地、中软土。

2 新型结构形式和受力特点

2.1 新型结构形式

选用建筑平面形式为矩形，柱距为3 m，屋面选用双T板，在柱子外侧引入扶壁柱，用来抵消粮食侧压力引起的不利效应。扶壁柱支撑半地下平房仓剖面如图1所示。

图1 扶壁柱支撑半地下平房仓剖面Fig.1 Section diagram of semi-underground horizontal warehouse with buttress pillars

2.2 结构受力

散装粮食半地下仓分别承受粮食产生的侧压力(ph)、竖向摩擦力(pf)和外部土产生的被动土压力(ep)：

ph=kγs,

(1)

pf=ksγtanδ,

(2)

ep=γzkp,

(3)

式中:k为平堆时粮食侧压力系数；γ为粮食重力密度，kN/m3；s为粮食顶面至计算截面的距离，m；δ为粮食对灰砂粉刷面的外摩擦角，(°)；kp=tan2(45°+φ/2)，φ为黏性土内摩擦角，(°)；粮食物料物理参数，如表1所示。

表1 粮食物料物理参数Table 1 Grain material physical parameters

3 扶壁柱体系结构的提出

3.1 模型建立

采用ABAQUS软件进行模拟分析，储粮品种按照散装大米进行结构分析，重力密度为8.5 kN/m3，散装粮食半地下平房仓主要由仓壁、梁、柱、双T板构成，柱与基础固接，仓壁与梁、柱的连接采用固接，双T板屋盖与梁铰接。仓壁分为地上仓壁和地下仓壁，地上仓壁选用钢筋混凝土联系梁加砌体的组合结构形式，即在适当位置以仓壁柱子为支座设置水平方向的联系梁，联系梁之间用砌体填充而形成的组合仓壁，地下仓壁选用钢筋混凝土墙。半地下平房仓的建筑材料除地上仓壁采用部分砌体外，其他构件均采用钢筋混凝土材料，材料参数根据现行规范选取。

3.2 普通地上、无扶壁柱半地下及3 m扶壁柱支撑半地下3种平房仓仓型受力分析

利用3.1中参数计算仓高为18 m，装粮高度为16 m的普通地上平房仓的受力及变形，计算结果如图2所示。

图2 普通地上平房仓应力云图Fig.2 Stress nephogram of ordinary ground horizontal warehouse

由图2可以看出，最大应力(15.9 MPa)位于柱脚处，所受应力过大，结构可能受到破坏。为了抵消粮食侧压力，提高结构的整体承载能力，引入半地下仓体系，结合天津利达实际工程，地下部分为4 m，保持仓容量与上述普通地上平房仓仓容量一致，地上装粮高度12 m，总装粮高度仍为16 m，建立模型并进一步分析，应力计算结果如图3所示。

图3 无扶壁柱半地下平房仓应力云图Fig.3 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse without buttress pillar

从图3可以看出，结构最大应力仍位于柱脚处，应力降为11.31 MPa，有明显地降低，但结构应力仍然较大，为了平房仓结构安全，考虑在模型外部，引入扶壁柱体系，在柱子外侧增加扶壁柱，扶壁柱高度初步定为3 m，倾斜角为60°。计算结果如图4所示，结构最大应力降为4.99 MPa，引入扶壁柱之后的平房仓结构最大应力相较于前两种仓型结构有明显的减小，且最大应力出现位置由普通地上平房仓和无扶壁柱半地下平房仓的柱底部转移到扶壁柱与结构柱的连接部位，因此采用扶壁柱支撑半地下粮食平房仓方案是完全可行的。

图4 3 m扶壁柱支撑半地下平房仓应力云图Fig.4 Stress nephogram of semi-underground horizontal warehouse with 3 m buttress pillars

普通地上、无扶壁柱半地下与3 m扶壁柱支撑半地下平房仓结构最大位移均位于侧面山墙顶部，选择侧壁顶部，分析3种平房仓情况下的位移变化，结果如图5所示。

图5 不同平房仓侧壁顶端位移变形情况Fig.5 Top displacement deformation of the side wall of different horizontal warehouses

由图5可以看出，侧壁山墙顶部位移变化呈类抛物线形向外变形，结构最大位移集中在侧壁顶部中间1/3部分，最大值处于侧壁顶部最中心，加扶壁柱之前，普通地上平房仓与无扶壁柱半地下平房仓侧壁顶部位移普遍较大，集中在20～28 mm之间，加扶壁柱之后，结构最大位移为7 mm，较前两种仓型结构最大位移明显减小，且侧壁整体偏移位移更趋稳定，在距边柱5～25 m范围内，结构位移稳定在7 mm左右，表明结构更加稳定。

4 不同扶壁柱高度、角度、装粮品种及装粮高度的整体性能分析

4.1 不同扶壁柱高度下的整体性能分析

为了得到更为合适的结构模型，针对不同扶壁柱高度进行分析比较，扶壁柱倾斜角为60°，高度分别为2、3、4 m。对于加扶壁柱之后的平房仓结构模型，结构最大应力位于扶壁柱与结构柱连接处，结构最大位移仍位于侧壁顶部。对3种扶壁柱高度情况下的模型进行分析，结构最大位移和最大应力如图6所示，由图6可以看出，在提高扶壁柱附柱高度的过程中，结构最大位移和最大应力逐渐减小，其中最大位移最大值为9.6 mm，最大应力最大值为6.6 MPa，因此可以得出，扶壁柱越高，结构模型越稳定；结构最大位移的变化接近线性变化，而结构最大应力在扶壁柱标高分别为3 m和4 m时相差不大，最大应力均不超过5.0 MPa，从结构用料角度考虑，扶壁柱支撑高度越低越省材料，因此综合考虑，扶壁柱的支撑高度架在3 m处更为合适。

图6 不同扶壁柱高度下结构最大位移和最大应力变化情况Fig.6 Maximum displacement and maximum stress of different buttress pillar heights

4.2 不同扶壁柱倾斜角下的整体性能分析

在仓壁外侧增加扶壁柱，不仅要考虑扶壁柱高度设计，更要考虑扶壁柱的倾斜角度。分别针对45°、60°、75°扶壁柱倾斜角进行比较分析，其中扶壁柱高度为3 m。模型在3种扶壁柱倾斜角度的情况下的受力及变形，结果如图7所示。

图7 不同扶壁柱倾斜角结构最大位移和最大应力变化情况Fig.7 Maximum displacement and maximum stress of different buttressed pillar angles

由图7可以看出，扶壁柱倾斜角从45°增大到75°，结构最大位移在不断增大，且是先缓后急，而结构最大应力先减小后增大，倾斜角为60°时，结构最大应力最小，而从45°到60°，结构最大位移并无太大变化。在扶壁柱附柱高度相同时，倾斜角越小，粮仓整体结构用料越多，所占面积越大，综上所述，扶壁柱倾斜角为60°左右时更为合理。

4.3 不同装粮品种下的整体性能分析

为了分析不同粮食对半地下平房粮仓结构的影响，在装粮高度为16 m，扶壁柱高度为3 m，倾斜角为60°情况下，分别采用大米、小麦、玉米3种装粮品种进行模拟分析，不同装粮品种结构的最大位移和最大应力变化情况如图8所示。

图8 不同装粮品种最大位移和最大应力变化情况Fig.8 Maximum displacement and maximum stress of different grain varieties

由图8可知，结构最大位移最大值为8.0 mm，最大应力最大值为5.6 MPa，说明该仓型适用于多种装粮品种。由2.2中公式(1)、(2)可知，作用于仓壁单位面积上的侧压力和竖向摩擦力不仅与粮食容重有关，还与粮食侧压力系数及外摩擦角有关，在其他条件不变的情况下，水平压力与竖向摩擦力越大，结构最大位移和最大应力越大。

4.4 不同装粮高度下的整体性能分析

为进一步分析装粮高度对平房仓结构的最优情况，分别采用装粮高度15、16、17 m，扶壁柱高度为3 m，倾斜角为60°，装粮品种为大米进行模拟分析，受力及变形结果如图9所示。

图9 不同装粮高度最大位移和最大应力变化情况Fig.9 Maximum displacement and maximum stress of different loading heights

由图9可知，随着装粮高度的增加，结构最大位移和最大应力逐渐增大，其中最大应力最大值6.5 MPa，最大位移最大值为10.2 mm；装粮高度既要保证储粮空间的充分利用，又要杜绝空间的浪费，装粮高度在17 m时，结构最大位移已达到10 mm以上，同时考虑装粮线以上的作业空间等因素，建议装粮高度为16 m，既满足结构设计安全需求，又保证了储粮空间的充分利用。

5 结论

通过分析不同情况下散装粮半地下混凝土平房仓结构的受力和变形，得出以下结论：散装粮食半地下混凝土框架平房仓中引入扶壁柱体系，减小了结构侧向位移，结构最大应力由柱子底部转移到扶壁柱与柱子连接处，且最大应力显著减小；平房仓侧壁顶端位移呈类抛物线形式向外变形，最大位移位于侧壁顶端中间1/3部分，加扶壁柱之后，结构最大位移较之前明显降低，且侧壁整体偏移位移更趋稳定。扶壁柱支撑高度3 m、支撑角为60°、粮仓装粮高度为16 m时最佳，占地面积合理，该仓型只增大外部扶壁柱的占地面积，能使仓容量大幅提高，且适用于多种装粮品种。以天津利达粮食半地下平房仓项目为依托，地下储粮高度定为4 m，最优地下储粮高度尚需进一步研究。