对_钢筋混凝土筒仓设计规范_有关问题的思考_袁龙飞
对《钢筋混凝土筒仓设计规范》有关问题的思考
袁龙飞
1
李晓文
1
白国良
1
康灵果
1
李旭
1
孙巍
2
(1.西安建筑科技大学土木工程学院,西安摘
710055;2.西北电力设计院,西安710032)
《钢筋混凝土筒仓设计规范》要:在采用GB50077—2003对筒仓进行计算分析和结构设计的过程
发现一些关于筒仓分类、荷载效应基本组合及相关系数的选取、贮料压力计算以及结构设计等方面的问中,
明确了筒仓结构的分类标准,分析了荷载作用效应和地震题。通过对这些相关条文的详细阐述和深入探讨,
作用效应基本组合公式,详细解释了贮料荷载计算和结构设计中相关规定,得到了有意义的结论。
关键词:筒仓;荷载效应组合;贮料有效质量;贮料荷载;设计
REFLECTIONSONPROBLEMSOFEXISTINGCODEFOR
DESIGNOFREINFORCEDCONCRETESILOS
YuanLongfei1
LiXiaowen1
BaiGuoliang1
KangLingguo1
LiXu1
SunWei2
(1.SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China;
2.NorthwestElectricPowerDesignInstitute,Xi’an710032,China)
Abstract:Someoftheproblemssuchassilocategories,loadeffectfundamentalcombinationandselectionofcorrelationcoefficient,calculationofstoredmaterialpressure,structuralofdesignetc.weredetectedwhileusingGB50077—2003CodeforDesignofReinforcedConcreteSilostocalculateanddesignasilo.Byelaboratinganddiscussingthoroughly,meaningfulconclusionswereproposed:thesilostructureclassificationwasclear;loadeffectandseismicactioneffectcombinationformulaswereanalysed;relevantprovisionsofthestoredmaterialloadcalculatingandstructuredesignwereexplained.
Keywords:silos;loadeffectcombination;storedmaterialeffectivemass;storedmaterialload
条文在实际应用中存在不足之处,因此,对“筒规”
概
述
中的部分条文进行了深入分析和探讨,并提出了相应的设计处理建议。
表1所示为该电厂的桩筏基础预应力混凝筒仓基本资料。
表1
某预应力混凝土圆形筒仓的基本参数Table1
总高度51
仓壁厚0.4
筒仓结构作为贮存散料的构筑物,具有运行方式简单、保护环境、节约用地和损耗少等优点。因此,它在煤炭、电力、港口和储运等行业中得到了广泛应用
[1-2]
。近年来,随着生产需求的不断提高,筒
仓结构朝着大型化的趋势发展,同时对筒仓结构的设计提出了更高的技术要求。
设计人员通常把万吨级容量的筒仓称为大型筒仓,而我国的大型筒仓多数采用钢筋混凝土结构形式。依据GB50077—2003《钢筋混凝土筒仓设计规(简称“筒规”)范》
[3]
Parameterofsilo
内径22
筒壁厚0.45
m
漏斗壁厚0.45
仓壁高度25.026
1984年出生,第一作者:袁龙飞,男,硕士研究生。
,在对某电厂的预应力混凝土
E-mail:longfei-66@163.com
收稿日期:2011-03-14
圆形储煤筒仓进行分析时,发现我国规范中的部分
IndustrialConstructionVol.42,No.1,2012
工业建筑
2012年第42卷第1期149
1筒仓结构的分类
我国规范通常将筒仓划分为深仓和浅仓两种类
1)“筒规”4.1.3~4.1.7条提出了两种荷载效应的基本组合:a.永久荷载控制的组合,永久荷载与永久可变荷载取全部;b.可变荷载效应控制的组合,荷载及可变荷载效应中起控制作用的可变荷载取全部。
对于这两种组合,永久荷载分项系数、可变荷载分项系数取值相同。只有一种情况例外,永久荷载效应控制的组合中,对于仓上、仓下的其他平台,永仓下久荷载分项系数可取1.35。对于没有“仓上、的其他平台”的筒仓,在可变荷载效应控制的组合中,参加组合的可变荷载项次比永久荷载效应控制的组合少。故该筒仓对于荷载效应的基本组合只取永久荷载效应控制的组合。
2)“筒规”4.1.7条规定,筒仓无顶盖且贮料重按实际重量取值时,贮料荷载组合系数应取1.0,筒仓有顶盖时,仓内贮料容量会受到顶盖的限制;有顶盖时可取0.9。该条规定主要考虑:筒仓无顶盖时,因为设备、贮料特性不同贮存的贮料量不同。有顶仓内贮料容量会受到顶盖的限制,贮料在自然盖时,
堆状态下,仓内不可能完全充满贮料。因此在计算贮料容量时,通过系数0.9考虑贮料的不充满状态,而“筒规”将此系数称为组合系数欠妥当,可称为充贮料满系数。为便于操作在计算仓内最大储煤量、对仓壁和漏斗壁的各种作用时,可按0.9倍的仓壁高度考虑。即认为:贮料达到0.9倍仓壁高度时为该筒仓的满仓状态。2.2
地震作用效应与荷载效应基本组合
1)“筒规”4.1.8条及4.1.8条条文说明规定,计算筒仓水平地震作用及其自振周期时,可取贮料总质量的80%作为贮料有效质量的代表值;而GB50191—93《构筑物抗震设计规范》8.2.6条规定[5],计算贮仓水平地震作用时,贮料荷载组合值,筒承式圆筒仓可采用满仓贮料荷载标准值的80%,柱承式贮仓可采用满仓贮料荷载标准值的90%。“筒规”中没有区分筒承式圆筒仓与柱承式贮仓的贮料荷载组合值,统一取满仓贮料荷载标准值的80%,可见两种规范中规定不协调。
“筒规”规定主要考虑地震时贮料的耗能作用和充盈程度两方面因素,即地震时颗粒之间及颗粒与仓壁的运动和摩擦消耗一部分能量,为了设计上方便,规范采用折减贮料质量的方法,来降低地震作用效应,此影响系数取0.9;同时考虑到地震时贮料未必满仓,折减系数取0.9。两次折减结果为0.8,因此,取贮料总质量的80%作为贮料有效质量的代表值,但是对于柱承式贮仓,地震时贮料耗能作用轻
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2012年第42卷第1期
1.0.3条规定,当筒仓内贮料计算高度型。“筒规”
hn与圆形筒仓内径dn或与矩形筒仓的短边bn之比大于或等于1.5时为深仓,小于1.5时为浅仓;“筒4.2.6条规定,当hn/dn或hn/bn为1.5时,作用规”
于仓壁单位面积上的水平压力应分别按深仓或浅仓4.2.6条条公式计算,取两者计算结果大值;“筒规”当hn不小于15m且dn不小于12m文说明规定,时,仍需按深仓验算。
在实际工程中常遇到这种情况,按表1中提供hn≥15m的某筒仓参数可知:hn/dn=1.15<1.5、
1.0.3条规定该筒仓为浅且dn≥12m,根据“筒规”4.2.6条条文仓,故应按浅仓计算。但根据“筒规”该筒仓仍需按深仓验算。因此该筒仓需要分说明,
别按浅仓或深仓计算,即贮料荷载应按浅仓和深仓计算公式计算,两者计算结果取其大值,如此重要的而不是仅在条文说明信息应该出现在正式条文中,
4.2.6条认为,中出现。同时“筒规”作用于仓壁单位面积上的水平压力应分别按深仓和浅仓公式计算,而条文说明则认为贮料荷载应按浅仓和深仓计两者规定不一致。算公式计算,
1.0.3条、4.2.6条文的理解:贮料在对“筒规”
仓壁上产生的摩擦力会导致其作用于仓壁上的水平压力出现线性和非线性两种分布规律,且贮料深度摩擦力影响越大,作用于仓壁的水平压力分布越大,
越接近非线性,反之则接近线性。按上述水平压力分布原则人为将筒仓划分为深仓和浅仓。即规定当hn/dn或hn/bn不小于1.5时为深仓,hn/dn或hn/bn小于1.5时为浅仓。但是当hn/dn或hn/bn等于1.5时,按深仓公式计算的贮料水平压力大于浅仓,出现不衔接现象,因此,对大型浅仓只按浅仓公式计算贮料水平压力,就不一定安全可靠。此外,仓壁达到一定高度的浅仓,贮料对仓壁的摩擦力不应忽视,贮料压力不一定为线性分布,而且在筒仓设计时摩擦力应考虑多少合适并无依据,所以又规定当满足hn不仍需按深仓验算。小于15m且dn不小于12m时,
4]中的相关结论,根据工程经验及文献[建议1.0.3条规定执行。筒仓划分标准不变:即按“筒规”
4.2.6条中应规定:当满足hn不小于15m而“筒规”
且dn不小于12m时,贮料荷载应分别按深仓和浅仓公式计算,两者计算结果取其大值。22.1150
荷载效应基本组合荷载效应基本组合
微,不考虑贮料的耗能作用所,宜取贮料总质量的90%作为贮料有效质量的代表值。因此,建议在计算筒仓水平地震作用及其自振周期时,参考GB50191—93中的条文规定较合适。
“筒规”条文存在的问题:a.在地震时漏斗壁所围的区域经常处于充满状态,所以地震时贮料未必建议在筒满仓是针对仓壁部分的贮料而言。因此,仓抗震设计中,计算重力荷载代表值所产生的效应时,仓壁部分贮料重力荷载可在满仓状态的基础上再乘以0.9(地震时未必满仓)。计算筒仓自振周期和水平地震作用时,仓壁部分贮料重力荷载可在满“筒仓状态的基础上乘以0.8。b.为设计上的方便,规”采用一个常的贮料有效质量系数,来降低地震作用效应,但实际上该系数应视为地面加速度幅值的函数,即不同的地震烈度采用不同的有效质量系数,这样做可能更合理满仓的80%者都很少
[6]
料的物理特性参数就有差异,而且散料的物理特性参数对贮料荷载影响显著,进而影响构件的设计结以确保贮料荷载计果。故应由工艺设计专业提供,算的准确性。
以某内径为22m,高度为51m的储煤圆形筒仓为原型,以烟煤为例验算贮料物理参数对贮料荷载的影响,数据见表1。查《钢筋混凝土筒仓设计规附录B可得。煤贮料特性:密度为800~1150范》
kg/m3,内摩擦角为25°~40°。根据烟煤物理参数的取值,确定了四种方案,详见表2所示。
各方案中贮料作用于仓壁的水平压力分布如图1—图4所示。计算结果如表3。
表2
Table2
方案ⅠⅡⅢⅣ
各方案贮料物理参数
Physicalparametersofstoredmaterialofschemes
参数
贮料密度为1000kg/m3,内摩擦角为25°贮料密度为1000kg/m3,内摩擦角为40°贮料密度为800kg/m3,内摩擦角为30°贮料密度为1150kg/m3,内摩擦角为30°
。c.据唐山地震震害调查
地震时所有贮仓基本上未装满贮料,达到统计资料,
[5]
。因此,有关地震时贮料未
必满仓的折减系数取值有待进一步考虑。
2)“筒规”4.1.9条规定,计算重力荷载代表值的效应时,除贮料荷载外,其他重力荷载分项系数可取1.2;当重力荷载对构件承载能力有利时,其分项系数不应大于1.0。该条规定未明确贮料荷载的分项系数取值,该分项系数取1.2。33.1
贮料荷载计算贮料物理参数
“筒规”4.2.1条规定,散料的物理特性参数应通过试验分析或根据试验确定,并由工艺设计专业提供。当无试验资料时,可参考附录B所列数值选但应经工艺专业认可。该条规定要认真执行,因用,
为影响散料物理特性参数的因素很多,即使同一种散料,由于颗粒级配、颗粒形状、含水量、装卸条件、外界温度和湿度以及贮存时间长短等条件不同,散
表3
Table3
贮料荷载
Storedmaterialload
贮料荷载最大值
类型方案
仓壁作用力
水平压力ph/kPa
竖向摩擦力pf/(kN·m)1132.91198.5927.61333.5————
漏斗壁作用力法向压力pn/kPa86.482.268.498.3183.8131.8131.0188.4
切向力pt/kPa55.196.154.878.883.6110.275.1107.9
深仓ⅠⅡⅢⅣ
94.867.469.299.491.449.060.186.3
浅仓ⅠⅡⅢⅣ
从表2可以看出,贮料密度恒定、内摩擦角变化时,深仓贮料荷载方案Ⅱ与方案Ⅰ最大差值为
a—方案Ⅰ;b—方案Ⅱ;c—方案Ⅲ;d—方案Ⅳ
1—深仓;2—浅仓图1
Fig.1
仓壁水平压力分布
Horizontalpressuredistributionofwallsofsilos
——袁龙飞,对《钢筋混凝土筒仓设计规范》有关问题的思考—等
151
42.3%,浅仓贮料荷载方案Ⅰ与方案Ⅱ最大差值为46.4%;贮料密度变化、内摩擦角恒定时,深浅仓贮料荷载方案Ⅳ与方案Ⅲ最大差值均为30.4%;可见,贮料的物理参数对贮料荷载影响很大。因此,在实际设计中应由工艺设计专业提供贮料物理参数。3.2
贮料荷载计算公式的解释
“筒规”4.2.6条、4.2.2条及4.2.2条条文说明给出深仓、浅仓的贮料荷载计算公式,经过对规定,
比分析发现两种计算公式的含义截然不同。其中:深仓贮料荷载的计算公式是由杨森公式推导出的。1)贮料水平压力:由杨森公式计算的贮料水平压力基本上只与贮料静态时的压力值相符合,它并没有考虑在使用过程中可能会出现的各种不利因素,因此,规范给出了深仓贮料水平压力修正系数Ch。该系数考虑了卸料时的动态压力、贮料的崩塌以及贮料温度与室外最低计算温度之差不大于100℃的水泥工业筒仓的温度影响等。2)贮料竖向压力:由杨森公式计算的贮料竖向压力基本上与贮料静态时的压力值相符合。根据现有的测试结果和对各种资料的分析可得,贮料在静态和动态时仓底的竖向压力变化不大,但是,考虑到料拱的崩塌及贮料特性的不所以给出了深仓贮料竖向压力修正利变化等因素,
系数Cv。3)漏斗壁上作用的力:由漏斗壁切向力(pt=Cvpv(1-k)sinαcosα)和单位面积上的法向其都与贮料竖向压压力(pn=ξpv)计算公式可知,
力有关。而浅仓贮料荷载的计算公式中没有给出任何修正系数,即没有考虑卸料时的动态压力、贮料的崩塌、温度影响和贮料特性的不利变化等因素的影响。
可见,对按深仓设计的筒仓,贮料水平压力、贮料竖向压力及漏斗壁上作用的切向力和单位面积上的法向压力计算公式中已包含卸料时贮料的冲击作用和温度作用(温差不大于100℃)等不利因素,而按浅仓设计的筒仓贮料压力计算公式中未包含。因此,在筒仓设计中,对深仓冲击作用和温度作用在后续计算中不必再单独计算,而浅仓应根据实际情况单独考虑。44.1
筒仓结构计算构件设计
通过将“筒规”与GB50191—93中有关筒仓构件设计的条文进行分析对比,发现两种规范中存在不协调条文和模糊条文,列举如下:
1)GB50191—93第8.2.15条规定,筒与柱联合支承的贮仓,支筒与支柱的地震剪力,可按刚度比152
例分配,但支柱的地震剪力应乘以1.5且不应小于支承结构底部地震剪力的10%。在设计支柱时应但是这在“筒规”中没有规定。满足该条文的规定,
2)在GB50191—93第8.2.2~8.2.4条中对仓体、支承结构及仓上建筑的抗震验算做了具体规定,但是在“筒规”中没有涉及这些,例如符合一定条件时,贮仓仓体、支承结构和仓上建筑可不进行抗震验算,只需满足抗震构造措施要求等。
3)“筒规”5.4.4条规定,在7度及以上抗震设防区,以筒壁为支承结构时,其平面开洞面积不应大洞口边缘间的距离不应于筒壁平面总面积的50%,
小于45°中心角的弧长。而GB50191—93第8.3.10条规定,筒壁每个孔洞的圆心角不应大于70°,同一水平截面内孔洞的圆心角之和不应大于140°。两种规范中对筒壁孔洞大小的控制指标及限值规定不同。
4)“筒规”5.1.5条规定,给出筒仓结构按正常使用极限状态设计时,仓壁、仓底的裂缝宽度限值,但不具体。例如预应力混凝土筒仓的裂缝控制未做5.3.2条所提出的三具体的要求。建议结合“筒规”
种预应力设计方案,具体规定在不同的环境类别、工结构构件的裂缝艺要求及采用不同的设计方案时,控制要求,以便设计者执行。
5)“筒规”图6.8.17-2壁柱配筋示意图中的图b壁柱预应力筋交叉布置图中标出扶壁柱的具体尺寸,即所有筒仓的扶壁柱尺寸相同,对此有疑虑。扶壁柱的尺寸应根据筒仓的直径,锚固区局部受压“筒规”并非定值,给定扶承载力验算等因素确定,
壁柱具体尺寸容易造成误导;图d无壁柱(壁龛)预应力筋锚固详图中并没有清楚地表示出预应力筋的具体锚固形式及壁龛组成部分;建议对图进行修改。
因此,为便于设计者在进行钢筋混凝土筒仓设计时,不遗漏条文,且能清楚的理解条文,建议完善“筒规”中的缺失条文和模糊条文,同时应与其他规范相协调。4.2
基础设计
“筒规”5.4.2条及5.4.2条条文说明规定,按承载能力极限状态设计筒仓基础时,对于浅仓或深仓可不计散料的冲击荷载效应。条文说明解释为:由于动压力在由仓底经过仓下支承结构传至基础时,已被仓底及仓下支承结构所吸收,基础不直接承受散料冲击所产生的动压力。但是根据深、浅仓计算公式的含义,深仓的计算公式(主要指作用于仓壁上的竖向摩擦力)不仅包含散料卸料时的冲击作用,还考虑了多方面不利因素的影响,而浅仓计算公
工业建筑
2012年第42卷第1期
式却未考虑该因素,而且筒仓的漏斗壁底部不是封闭的,而其上作用的荷载都是面荷载。因此,在进行筒仓基础设计时,按照“筒规”规定的贮料荷载公式(深仓、浅仓)计算出贮料对仓壁、漏斗壁的作用,然后通过计算分析得到的基础顶面竖向压力与上部结构的实际重力荷载不平衡,而且差别较大,该做法是不合适的,但是“筒规”中又未明确规定在筒仓基础设计时,贮料荷载的计算方法。
下面用实例加以证明。以表1中所列的储煤圆计算其在按照“筒规”规定的贮料荷形筒仓为原型,
载公式(深仓、浅仓)计算出贮料对仓壁、漏斗壁的见表4。作用下的基础顶面轴向压力标准值,
表4
Table4
基础顶面竖向压力标准值ontopoffoundation
重力荷载代表值
(含贮料)184574
竖向压力(深仓)218630
竖向压力(浅仓)163999
作者认为:按照“筒规”规定的贮料荷载公式(深仓、浅仓)计算出贮料对仓壁、漏斗壁的作用是用于构件设计的,而不适用筒仓基础设计,因此,不在计算上部结构论荷载效应还是地震作用效应下,
传到基础顶面的竖向压力时,建议贮料荷载按自重计算,并非按贮料荷载公式计算。5
结
论
以上的问题在实际工程中经常遇到,本文结合对“筒规”中的部分条文进行深入的分这些问题,
析,并通过引入算例分析加以验证,同时提出了相应为设计者能更清楚地理解筒仓规的设计处理建议,
范的条文及掌握钢筋混凝土筒仓的设计要点提供参考。
Nominalvalueofverticalpressureeffect
kN
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从表4可以看出,按照“筒规”规定的贮料荷载公式(深仓、浅仓)计算出贮料对仓壁、漏斗壁的作用,然后采用有限元方法分析得到的基础顶面竖向压力标准值,与结构和贮料的总重力荷载不相平衡,其中按深仓计算的竖向压力标准值超过18.5%,采用浅仓计算的竖向压力标准值减小11.1%,相差很大。(上接第139页)
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水运工程混凝土试验规程[S].
1)随着纤维掺量的增大,聚丙烯纤维混凝土的质量损失率和相对动弹性模量减小
2)氯离子的渗透深度随着盐冻次数的增加而加大,掺量为0.1%的纤维混凝土的渗透深度最小。
3)氯离子浓度随着盐冻次数的增多而加大,在距离试件表面存在峰值。掺量为0.1%的纤维混凝土氯离子浓度最小,大掺量的纤维加剧氯离子的迁移。
4)掺量为0.1%的纤维混凝土结构密实,大掺量纤维的掺入会降低混凝土内部的密实度,但在盐冻过程中可以延缓裂缝的发展。
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