钢筋混凝土筒仓结构成本控制探索

摘 要：本文主要针钢筋混凝土筒仓修建成本高的问题，以兰州（抗震设防烈度7度地区）某电厂直径8m石灰石筒仓为例，运用软件盈建科（YJK）对钢筋混凝土筒仓的结构体系、受力特点以及工程量3个方面进行建模，并深入研究和探索。最终得出采用带支撑柱支承式钢筋混凝土筒仓的结构成本更低，并为这种结构形式提供了理论依据和实践指导，以期给类似工程提供参考。

关键词：柱支承式钢筋混凝土筒仓；仓壁支承式钢筋混凝土筒仓；成本控制；带支撑的柱承式钢筋混凝土筒仓

中图分类号：TU 37" " 文献标志码：A

筒仓作为工业建筑中贮存材料的构筑物，已经广泛应用于煤炭、冶金、电力、粮食和建材等工业建筑结构设计中。根据以往的经验，钢筒仓造价是低于钢筋混凝土筒仓造价的[1]，但是，钢筋混凝土筒仓结构以其刚度大、建造成本低、耐腐蚀性好等优点深受广大业主的好评。因此控制钢筋混凝土筒仓的成本成为亟待解决的问题。

根据《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）要求，圆形筒仓仓下结构形式有柱支承、筒壁支承、筒壁与内柱共同支承（用于直径不小于15m深仓）3种结构形式。这3种方式都不能完全满足实际情况的需求，但带支撑的柱承结构形式能满足实际情况需求，因此带支撑的柱承结构形式的实际应用是一个重要的问题。

本文采用盈建科（YJK）软件分别对直径8m钢筋混凝土石灰石筒仓建立柱支承、仓壁支承、带支撑的柱支撑3种结构形式进行建模和计算，从受力特点、结构安全性以及工程量大小等方面对比研究，总结带支撑的柱承式钢筋混凝土筒仓的受力特点，而且利用带支撑的柱支承式筒仓的结构形式可以有效降低成本。

1 带支撑柱承式筒仓的实例

1.1 项目概述

本项目位于甘肃省兰州市，场地设置五十年一遇风压为0.35kN/m2，五十年一遇雪压采用0.20kN/m2。根据安评报告地震烈度7度，场地类别二类，基本地震动峰值加速度为0.18g，地震影响系数最大值0.145，特征周期0.45s。

1.2 筒仓受力分析

1.2.1 重力荷载分析

本文的研究对象是直径8m，总高20.90m的石灰石（容重不大于1.5t/m³）筒仓，设备层相对标高为7.00m，筒仓仓体底面相对标高为13.70m，仓体高度h约为7.2m，有效贮存高度为7m，根据《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）要求h/b=0.9，属于圆形浅仓。采用三角形面外法向荷载计算浅仓的贮料压力，计算应考虑贮料单位面积竖向力和漏斗上的法向竖向力，筒仓受力示意图如图1所示。作用于仓壁单位面积上的水平压力Ph=k·γ·s，作用于底板上的单位面积竖向压力PV=γ·s，作用于漏斗斜壁的单位法向面积压力Pn=ε·Pv，γ为贮料容重，h为贮料高度，s为贮料体重心以下至距离S处的距离，ε为计算系数。漏斗壁贮料的切向压力的计算过程如公式（1）所示。

Pt=Pv·（1-k）sina·cosa （1）

式中：k为侧压力系数。

根据上述公示可以计算该筒仓的竖向力，Pv=105kN/m2，Ph=30kN/m2，Pn=95kN/m2，Pt=20kN/m2 。

1.2.2 钢筋混凝土筒仓抗震计算系数调整

根据《构筑物抗震设计规范》中描述筒仓计算地震作用有两种方法：较为粗糙的单质点底部剪力法和较为精确单质点体系振型分解反应谱法。该案例采用单质点振型分解反应谱法进行计算[3]。当用贮料荷载组合计算水平地震作用时，仓壁支承式筒仓式可按0.8倍满仓荷载标准值，柱支承式按0.9倍满仓荷载标准值考虑。带支撑柱支承没有明确要求，按照柱支承式考虑。本项目无仓顶建筑，因此建模时不考虑仓顶建筑的荷载。其余荷载代表值组合系数参考《构筑物抗震设计规范》中可变荷载组合系数取值。

当采用盈建科（YJK）建模计算时，应对贮料荷载采用自定义组合，根据《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）要求，贮料荷载分项系数取1.3，非地震分项系数（不利）和非地震分项系数（有利）均取1.3，地震分项系数（不利）和地震分项系数（有利）取1.0，非地震组合值系数0.9，地震组合值系数0.8.

1.2.3 参数特殊设置

在建立模型参数中，墙元细分最大控制长度为0.8m，板元细分最大控制长度为0.87m，采用有限元计算弹性板荷；自定义工况组合采用叠加+包络；楼板属性采用全层弹性板6；在计算前处理特殊构件定义中，调整附加质量的大小，满足整个贮料竖向荷载的中心与90%有效质量代表值的重心重合。

1.3 3种支承形式的研究

根据《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）要求，目前常用的直径小于15m的筒仓支承方式有两种：柱支承和筒壁支承。柱支承式筒仓是通过环梁、框架梁传递荷载至框架柱，与框支框架的受力模式类似，这种受力模式的优点是下部空间大，工艺布置比较灵活，但缺点是下部刚度弱，柱截面相对较大[2]；筒壁支承是通过环梁、框架梁传递荷载至落地仓壁，类似落地剪力墙的受力模式，这种受力模式的优点是下部刚度大结构，稳定性好，受力比较均匀，但缺点是下部空间小，常常影响工艺布置。综合考虑柱支承和筒壁支承的优缺点，采用带支撑柱承式进行研究。带支撑柱承式是通过环梁、框架梁传递荷载至斜撑和框架柱，与带支撑框架结构类似。支撑一般常用在钢结构中，主要有提高抗侧移刚度、增加结构的延性、改善结构抵抗地震和风等水平作用的能力，从结构概念上讲，最为重要的作用是支撑能够给结构安全提供安全储备，使结构框架和支撑形成两道防线，结构安全储备大大提高[4]。常见的支撑主要分为偏心支撑和中心支撑两种。根据计算得到的荷载，采用盈建科（YJK）软件建模分析3种结构形式建模，上下两层支撑均采用十字交叉支撑的方式，建模示意图如图2所示。3种结构形式的构件尺寸、混凝土标号、钢材强度等信息见表1。

利用YJK软件进行整体分析和计算，计算结果见表2～表4。

1.3.1 强度分析

带支撑柱支承式的柱截面比柱支撑的截面小，而且支撑还会传递部分竖向力到框架柱上，导致最大轴压比是0.31，比柱支承式和仓壁支承式大，但均小于规范对轴压比限值的要求，而且还有61%的富余量，因此带支撑柱支承式筒仓的竖向承载力是满足规范要求的。

楼层受剪承载力是地震作用下，竖向构件受剪承载力的能力之和。是控制结构竖向不规则、判定薄弱层的重要指标之一，柱支承的楼层受剪承载力最小，也最接近规范限值，通过不断加大柱截面最终符合了受剪承载力指标，说明与柱支承筒仓相比，增加的支撑有效提高了结构的抗剪承载力。说明筒仓的水平承载力是满足规范要求的。

剪重比是判定结构竖向构件是否存在薄弱层的另一个重要指标。可以看出带支撑的柱支承的剪重比满足规范要求，不存在薄弱层，这也跟支撑提供的刚度有关。

刚重比是结构侧向刚度与重力荷载的比值，是影响重力二阶效应的指标。可以看出3种结构形式均远远大于规范限值，能满足规范要求，因此可以不用考虑重力二阶效应。

支撑稳定性强度比是受拉或受压工况下，支撑的结构强度比。通过上述结果中的应力比可以看出，钢支撑强度比只利用了不到20%，强度的富余量还有很多。能充分发挥其耗能的作用，起到有效的二道防线的效果，对结构起到很好的保护作用。

1.3.2 刚度分析

筒仓的结构位移反应结果：从表2和表3中可以看出：转换层与上部等效侧向刚度比是转换层控制侧向刚度的一项重要指标，因为控制受剪承载力时，框架柱不断增加，所以柱支承的指标远远大于规范要求。带支撑的柱支承的计算结果同样能满足规范要求，而且带支撑柱支承筒仓框架柱截面是小于柱支承的，说明支承提供的刚度起到了显著效果。

自振周期：由于筒仓结构整体是对称的，因此结构布置同样是对称的。从自振周期的计算结果也可以看出，结构自振周期X与Y方向周期接近，而且X和Y方向均接近全平动，说明结构布置较为均匀，受力均衡，满足规范对结构布置的要求。

周期比是衡量扭转刚度与侧向刚度之间关系的一个指标，可以看出仓壁式周期比最小，说明仓壁式整体抗扭转的能力最强，柱支承式次之，最弱的是带支撑的柱承式。因为竖向构件构件的刚度大小有区别，带支撑柱承式的截面最小，所以抗扭转能力相对柱承式要弱一些，但结果均远小于规范控制指标，带支撑柱承式满足规范要求。

位移比、位移角两个指标也是体现结构侧向刚度的指标。从位移指标可以看出，不管是哪种支承方式，侧向刚度均远大于规范要求的限值，均能满足要求。带支撑的柱承式位移角与仓壁式支撑接近，位移比与柱支承式接近，说明在支撑的帮助作用下，带支撑柱支承式的侧向刚度增加，使带支撑的柱承式的侧向刚度能达到仓壁支承式筒仓或柱支承式一样的效果。

抗倾覆和零应力区是衡量结构整体稳定性的指标。从抗倾覆和零应力区指标来看，带支撑柱支承式的零应力区是最小的，抗倾覆指标是最大的，说明带支撑柱承式稳定性富余度是最高的，说明支撑能有效传递荷载和提高结构的抗侧移刚度，从而也提高了结构自身的稳定性。

支撑稳定性强度比是支撑在受压作用下，支撑的稳定性控制指标。由于采用圆管作支撑，因此其平面外和平面内的应力比是一致的，通过计算得到的稳定性应力比比强度应力比大了约60%，说明此支撑的强度控制指标不是受强度控制，而是稳定性的因素起主要控制作用，说明采用低强度钢Q235的钢材是满足要求的。

1.3.3 分析结论

将综合强度和刚度进行对比和分析，可以看出带支撑的钢筋混凝土筒仓不管是强度还是刚度均能满足规范的要求，而且有很多指标比传统的柱支承式和仓壁支承式更好，安全富余度更大，充分说明支撑能给结构带来较大的抗侧移刚度，保证结构的二道防线，提高结构安全度。说明带支撑柱支承式钢筋混凝土筒仓能满足规范要求。

2 3种筒仓上部结构工程量对比

利用盈建科（YJK）软件统计工程量见表5。

从表5可以看出，柱支承式的混凝土标号最高，仓壁支承式与带支撑柱支承式差别不大，因为柱支承式类似框支框架结构，地震作用下水平剪力很大，所以需要提高混凝土标号达到提高抗剪承载力的目的。

柱支承式最重，仓壁式次之，带支承柱支承式最轻。由此可以推测，带支撑柱支承式的结构基础工程量也是最少的。根据工程量统计的结果还可以看出，带支撑柱支承式的混凝土用量少于其他两种结构形式的用量；钢材用量方面，带支撑柱支承钢材比仓壁支承一样，都比柱支承式钢材用量少，因为柱支承类似框支框架的原因，地震力会放大，所以框架柱的配筋会增加。

综上可以看出，柱支承结构成本最高，仓壁支承式次之，带支撑柱支承式最低。而且钢支撑的安装速度以及可回收性，均比其他两种支承方式更加绿色环保，因此说明带支撑柱支承钢筋混凝土筒仓结构成本最低。

3 结语

筒仓的成本控制是一个综合性的过程，涉及结构成本、建筑成本、工艺成本以及施工成本等几个方面。本文通过实际案例进行分析，总结了带支撑柱承式结构形式筒仓的受力特点，仅从结构成本上分析，得出带支承的柱支承结构的结构成本最低。本文对石灰石贮料浅仓进行研究，下一步的研究方向是深仓、其他贮料研究，在此次研究中本文采用盈建科YJK软件进行建模计算，后续还可以利用不同的力学软件（例如SAP2000、Midas Gen等软件）进行建模计算和分析，找到筒仓最真实的受力的规律，可以从规划布置、工艺流程、施工成本以及合理利用资源等方面对筒仓成本进行优化。

参考文献

[1]张永孟，段华生，罗云峰.柱承式钢筋混凝土筒仓的地震反应研究[J].中国混凝土，2023（12）：55-60.

[2]丁永刚，周志耀，许启铿，等. 地震作用下柱承式筒仓支承柱应变响应分析[J].工程抗震与加固改造， 2022，44（4）：69-75.

[3]刘广新.钢筋混凝土筒仓的设计与应用探讨 [J].建筑设计，2024（2）：25-26.

[4]叶馨.地震作用下中心支撑钢框架结构非耗能构件承载力需求研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.