馬夢云 唐敢 尹凌峰 莊紅

【摘 要】筒倉結構在糧食存儲方面發(fā)揮著重要作用。論文研究了一種受力性能合理高效而且能提供良好溫控性能的新型筒倉，即超大型圓臺狀鋼—索—竹組合式筒倉結構。對一個115英尺的圓形筒倉，僅在儲料荷載下進行模擬分析，通過參數(shù)化計算，對筒倉鋼骨架結構體系進行初步選型與分析，從而得出此算例下相對比較合適的布置方式以及梁柱截面尺寸。研究結果表明：在本案例中，環(huán)梁間距宜控制在1～2m之間；立柱的截面尺寸與環(huán)梁的截面尺寸密切相關，應根據(jù)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.

【關鍵詞】鋼骨架結構；儲料荷載；參數(shù)化

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

【中圖分類號】TU391，TU398+.9 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）10-0150-02

1 引言

筒倉結構廣泛應用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工等諸多領域中的散料儲存[1]。隨著糧食流通體制的不斷改革，具有中轉、存貯功能的筒倉得到了更為深入的研究和應用，特別是容量較大的筒倉，大型化和超大型化是糧食筒倉發(fā)展的趨勢[2]。

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的國內(nèi)外超大型筒倉多為鋼筋混凝土倉（高度可達到60多米）[3]。隨著鋼筒倉的不斷發(fā)展，雖然出現(xiàn)了倉容超過了10 萬噸（直徑達到100m）的落地式鋼筒倉，但大部分鋼筒倉的倉容小于1.6 萬噸。由于儲糧荷載的大小與筒倉高度直接相關[1]，因此鋼筒倉倉容的發(fā)展主要是采用增大直徑的方法，這顯然不利于節(jié)省使用土地。同時，目前鋼筒倉的保溫設計大多數(shù)采用外涂保溫材料，雖然在能一定程度上起到保溫效果，但不能參與整體受力，且價格不菲[10]。怎樣協(xié)調(diào)鋼筒倉保溫性及其經(jīng)濟性，是筒倉研究的熱點與難點。

本文研究的超大型圓臺狀鋼-索-竹組合式筒倉主要是由環(huán)梁和立柱組成的鋼骨架、竹材倉壁板、倉頂、鋼索組成，示意圖如圖1。該筒倉可通過調(diào)整自身的桿件布置、材料分布等方式很好地完成儲料荷載作用下的傳力路徑的自調(diào)節(jié)過程，同時通過“立體通風+隔熱導溫”方式來達到溫度調(diào)控的目的。該新型筒倉已獲得國家知識產(chǎn)權局的專利授權[4]。

其中，筒倉鋼骨架結構除了可以很好地約束筒倉整體和竹材倉壁板的變形外，還為竹材倉壁板提供邊框[5]。筒倉結構主要受儲料荷載的作用，而且一般作用時間比較長[6]；同時考慮圓臺狀倉壁傾角較小且對網(wǎng)格劃分無太大影響，因此本文對圓形筒倉結構進行儲料荷載作用下的有限元模擬，通過參數(shù)計算，對鋼骨架結構體系進行初步選擇和分析，得到合理的網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格尺寸和桿件截面。

2 有限元模型建立

本文以115英尺的圓形筒倉為算例進行鋼骨架結構的選型分析，筒倉直徑D=35.052m，高H=32m。

按筒倉分類，本文筒倉為淺倉，儲料荷載的計算方法見《糧食鋼板筒倉設計規(guī)范》[1]。對鋼骨架施加儲料荷載的方式為：將筒倉不同高度處竹材倉壁板的受力簡化為點荷載施加在對應高度處環(huán)梁節(jié)點上。本筒倉主要用于儲存糧食，按大豆計算，其容重γ=7.5kNm3，大豆與竹板的摩擦系數(shù)為0.2。

3 鋼骨架的布置方式

3.1 環(huán)梁布置方式

本節(jié)對環(huán)梁布置的方式進行了一定的初步調(diào)查和研究，主要將他們分成了兩大類，①環(huán)梁沿全高均勻分布，間距分別為4m、2m、1m；②底部局部加密0～16m間距2m，16～32m間距4m；0～16m間距1m，16～32m間距2m。共建立五個基本計算模型，僅僅對儲料荷載下的筒倉強度這一問題進行了分析，通過進行調(diào)整每一道環(huán)梁截面的尺寸，并將其環(huán)向最大應力比例盡量控制在0.8～0.85之間，從而得出了不同計算模型的總用鋼量分別為159t、171t、173t、173t、177t。

可知：考慮竹板的承載力及尺寸問題，環(huán)梁間距宜控制在1～2m之間；環(huán)梁間距對結構用鋼量影響不大。

3.2 立柱布置方式

在倉頂結構構件的在允許應力范圍以內(nèi)的情況之下，環(huán)梁是按3.1節(jié)較優(yōu)布置，對立柱按不同的布置方案進行了優(yōu)化分析。對倉壁板來說，儲料產(chǎn)生的法向側壓力是對稱分布的，因此不考慮其穩(wěn)定問題，僅將立柱作為壓彎構件考慮其強度問題。立柱考慮采用變截面H型鋼。得到在此模型下立柱布置為48根較節(jié)省。

3.3 梁柱整體布置方式

本節(jié)在2、3節(jié)布置方案粗略的計算分析上，選擇48根立柱進一步優(yōu)化：

優(yōu)化方案一：0～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

優(yōu)化方案二：1.5～7.5m內(nèi)環(huán)梁間距1m；7.5～18m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m；18～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m。

對兩種優(yōu)化方案下計算模型按3.1節(jié)中方法進行有限元計算分析，不同標高處環(huán)梁與立柱的截面尺寸及其最大應力比。

可知：兩個方案的總用鋼量基本相同，用鋼量的不同主要在筒倉底部處；優(yōu)化方案一中筒倉節(jié)點徑向位移比優(yōu)化方案二大，但是相差不多，方案一的最大值為20.439mm、方案二的為20.131mm；優(yōu)化方案一的桿件數(shù)少于優(yōu)化方案二；綜合考慮，方案一為該算例下鋼骨架結構較優(yōu)布置方式。

4 結語

本文介紹了超大型鋼-索-竹組合式筒倉的結構形式，并對儲料荷載下圓形筒倉鋼骨架結構體系進行了有限元模擬分析，建立了多個模型，得到了算例筒倉鋼骨架結構的較優(yōu)選型，主要結論如下：①環(huán)梁的布置方式：1～2m為環(huán)梁較適宜間距；考慮到環(huán)梁與立柱連接方式，可通過局部加密的方法來減小環(huán)梁截面的尺寸。②立柱的布置方式：立柱布置方式改變對結構強度影響不大，可根據(jù)實際要求改變柱的布置方式以適應環(huán)梁截面尺寸。③此算例下較優(yōu)布置方式為：0～16m內(nèi)環(huán)梁間距1.5m、16～32m內(nèi)環(huán)梁間距2m，立柱沿環(huán)向均勻布置48根（方案一），因為此時立柱和環(huán)梁總用鋼量較小，桿件數(shù)較小，節(jié)點徑向位移較小。

【參考文獻】

【1】中華人民共和國建設部.糧食鋼板筒倉設計規(guī)范GB50322-2011 [S].

【2】滕錦光，趙陽.大型鋼筒倉的結構行為與設計[J].土木工程學報，2001，34（4）：46-55.

【3】崔元瑞.我國儲料構筑物建設的發(fā)展和回顧[J].特種結構，2000，17（1）：8，68.

【4】蘇瑞杰，郭志博. 超大型筒倉系統(tǒng)發(fā)展分析[J].華電技術，2014，36（12）：43-46.

【5】莊紅.儲料荷載下超大型鋼筒倉自調(diào)節(jié)傳力路徑研究[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2014.

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