双T板型散装粮食平房仓受力性能研究

2023-12-18庄文安

粮食与食品工业 2023年6期

庄文安,陈冲

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

近几年,随着国家粮食储备量的快速增长,各地仓储设施仓容量逐渐无法满足储备需求,因此各地逐渐加快粮食储备库的建设步伐,双T板型散装粮食平房仓具有屋面结构自重轻、构件少、整体性好、建设速度快等特点,是目前我国粮食储备库中一种较主流的仓型。对于装粮状态下的双T板型散装粮食平房仓而言,粮食水平推力的传导过程为:墙体→圈梁→排架柱→基础。整体结构冗余度较小,一旦某一构件的强度不满足受力要求,会导致整体传力路径的失效,进而严重影响散装粮食平房仓的安全性,因此各受力构件的结构安全性格外重要,在结构设计时,应准确分析各受力构件在不同工况下的受力状态,确保散装粮食平房仓结构可靠、经济合理。

1 双T板型散装粮食平房仓结构

双T板型散装粮食平房仓是一种半装配式的大跨度框排架结构,主要由屋面结构、墙体结构、混凝土框架结构、基础结构组成。屋面结构为预制双T板,双T板两端搁置在檐墙上;墙体结构为沿平房仓长度方向布置的檐墙,平房仓两端的山墙,以及中间起分隔作用的廒间墙;墙体沿高度方向设置水平圈梁,圈梁间距结合粮食堆高计算确定。檐墙、山墙、廒间墙间隔4～6 m设置一道排架柱,双T板与排架柱共同组成排架结构,一般采用独立基础或桩基础。

2 双T板型散装粮食平房仓屋面

双T板型散装粮食平房仓屋面由多块双T板并排布置,板顶采用钢板带拉结,并浇筑混凝土面层形成整体。目前常用的双T板板型参考国标图集《预应力混凝土双T板》(18G432-1)规定,根据平房仓檐墙间距、排架柱距灵活选用不同尺寸的双T板。至于双T板的承载能力则应根据屋面建筑面层荷载、屋面设计活荷载、雪荷载、积灰荷载计算确定。同时,需要注意的是为适应国家节能减排要求,目前大多数新建平房仓屋面需设置光伏板,因此计算屋面荷载时还需考虑光伏板荷载。

3 双T板型散装粮食平房仓围护墙体及排架柱

双T板型散装粮食平房仓围护墙体作为直接承担水平力的构件,其计算结果的准确与否直接影响到平房仓整体安全性,要想准确计算散装粮食平方仓围护墙体首先必须明确粮食侧压力的计算过程。根据《粮食平房仓设计规范》(GB 50320—2014)5.1.6条规定,深度s处粮食作用于仓壁单位面积上的水平压力标准值计算公式如下:

Phk=kγs

(1)

Pfk=kγstanδ

(2)

式中:Phk为粮食作用于仓壁单位面积上的水平压力标准值;Pfk为粮食作用于仓壁单位面积上的竖向摩擦力标准值;k为粮食平堆时的侧压力系数;s为粮食侧压力计算处至粮食顶面的距离;γ为粮食重力密度;δ为粮食对灰砂粉刷墙面的外摩擦角。

通过公式(1)可计算出仓壁不同高度处单位面积的水平压力,以此为依据计算仓壁墙体厚度。散装粮食平房仓墙体由水平圈梁以及圈梁间的砌体墙组成,对于砌体墙而言,其在粮食水平压力作用下理论上存在齿缝破坏和通缝破坏的可能,但双T板屋面平方仓由于水平圈梁间距较小,且齿缝强度明显大于通缝强度,墙体一般通缝先于齿缝破坏,根据《粮食平方仓规范》6.2.5条,水平圈梁间砌体可取单位宽度竖向条带,并按简支梁计算其内力,只复核其通缝强度。对水平圈梁而言,其受力特点是承担砌体墙传导而来的粮食水平压力,计算时可按照多跨连续梁来计算,需注意的是在计算水平圈梁配筋时,粮食产生的水平压力按照活荷载考虑。存在一种特殊情况,即墙体最底部的地圈梁,其不仅承受粮食水平压力,同时需承受上部墙体的自重荷载,以及粮食对墙体的竖向摩擦力Pfk,因此地圈梁是双向受弯构件,在计算时应按双向受弯受剪构件设计。

排架柱是平房仓最主要的受弯构件,起到承担水平圈梁传导来的水平力并将其传递给基础的作用。在计算排架柱受力时还应考虑风荷载、地震作用等外源性荷载,综合考虑确定排架柱截面大小。受限于排架柱结构特点为底部固接,顶部铰接的形式,因此排架柱截面往往很大,在计算排架柱配筋时可采用非对称配筋,充分利用混凝土的抗压性能与钢筋的抗拉性能,降低排架柱整体钢筋用量。

4 双T板型散装粮食平房仓基础

散装粮食平房仓常用的基础形式为独立基础、桩基础,其主要受力形式如图1、图2所示。其中:M为上部荷载作用下排架柱底产生的弯矩;N为上部荷载作用下排架柱底产生的轴力;V为上部荷载作用下排架柱底产生的剪力。

图1 独立基础受力简图

图2 桩基础受力简图

散装粮食平房仓独立基础的计算主要包括:承载力计算、抗滑移验算。在计算独立基础承载力过程中,考虑到上部排架柱传给基础的弯矩较大,因此独立基础多采用向外偏心设计,这可以增加基础外边缘至排架柱中心线的力臂长度,有效降低基础尺寸。在基础计算时除考虑上部排架柱传递的弯矩M、剪力V、轴力N,还可考虑粮食储料对基础的压重,这将使基础产生一个与排架柱弯矩M方向相反的弯矩,对结构整体属于有利荷载。由于散装平房仓上部粮食产生的水平荷载最终传递给基础,基础处的剪力V数值较大,因此还需进行独立基础的抗滑移验算,即计算独立基础与底部持力土层的摩擦力能否抵消上部粮食产生的水平力。根据《粮食平房仓设计规范》(GB 50320—2014)6.2.10条规定,基础的抗滑移稳定应按下式计算:

(3)

式中:V为基本组合时上部结构传至基础底面的水平力值;N为基本组合时上部结构传至基础底面的竖向力值;Gk为基础自重及基础上部土重;μ为基础底面与持力土层间的摩擦系数。

不同持力土层与基础底面的摩擦系数并不相同,具体情况应结合地勘报告确定。如持力土层摩擦系数较小,其与基础底面产生的摩擦力不足以抵消上部粮食的水平荷载时,可在持力土层底面超挖200～300mm,并用碎石回填压实,使基础底面与碎石垫层接触,以增加摩擦力,必要时亦可将基础底面设置不大于10°倾斜,以增加抗滑移能力。

当土层承载力较低,采用独立基础不满足设计要求时,散装平房仓基础应采用桩基础。散装平房仓的桩基础设计不同于一般建筑的桩基础,由于排架柱底部存在弯矩、剪力、轴力,因此桩基础处于复合受力的状态,其不仅需承受竖向力,还需承受上部结构传来的水平力,以及柱底弯矩对桩产生的拔力,因此在进行桩基础设计时,应重点复核单桩的水平承载力和抗拔承载力,确保桩基础在弯矩、剪力、轴力共同作用下不发生损坏。另外由于平房仓内长时间、大面积粮食堆载会导致仓内地坪以及地坪底部的土质受压沉降,这会使得桩基础产生向下的负摩阻力,从而降低单桩竖向承载力。根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008第5.4.3条规定,桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时,应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力的影响,桩侧负摩阻力引起的下拉荷载可按照第5.4.4条规定计算。设计中应采用计算出的下拉力对单桩竖向承载力进行修正,确保桩基础的整体稳定性。