論圓形預應力混凝土筒倉結構設計及計算方法

陳東

摘要：采用預應力技術建造大型或特大型圓形筒倉，能解決普通混凝土結構鋼筋用量較多的問題，而且較容易實現筒倉結構的承載力和抗裂要求，具有很好的經濟效果，大直徑預應力筒倉結構是當前的主要發展趨勢。以某電廠兩座直徑為30m、單倉儲量為20000t的大直徑預應力筒倉為例，為預應力混凝土筒倉結構設計及計算方法提供可靠的參考價值。

關鍵詞：預應力混凝土筒倉結構設計計算

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A

1. 預應力混凝土筒倉發展概況

筒倉結構作為貯存散料的構筑物，具有運行方式簡單、保護環境、節約用地、損耗少等優點，因而它在煤炭、電力、港口、儲運等行業中得到了廣泛應用，隨著工程中要求配置的筒倉容積也隨之增大。當采用普通混凝土筒倉時，隨著倉壁直徑的增加，倉壁水平配筋量也越來越大，往往需要配置三排甚至四排鋼筋才能滿足設計要求，這大大增加了用鋼量。采用預應力技術建造大型或特大型圓形筒倉，能解決普通混凝土結構鋼筋用量較多的問題，而且較容易實現筒倉結構的承載力和抗裂要求，具有很好的經濟效果。預應力技術運用在大直徑圓形筒倉結構中，還可以減小貯料在倉壁內引起的拉應力，消除混凝土的開裂或者控制裂縫開展大小，避免因裂縫過大而引起鋼筋銹蝕，降低筒倉結構的安全性及耐久性等缺陷。因此采用預應力混凝土筒倉必將是未來筒倉結構的發展趨勢。

2. 預應力混凝土筒倉設計計算原則及步驟

2.1 主要采用的規范

《鋼筋混凝土筒倉設計規范GB50077-2003》、《混凝土結構設計規范 GB 50010-2010》、《無粘結預應力混凝土結構技術規程 JGJ92-2004》及《火力發電廠土建結構設計技術規程 DL 5022-2012》。

2.2 設計步驟

1). 根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中3.3.2條估算混凝土筒倉的壁厚；

2). 根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中1.0.3條及4.2.3條條判斷筒倉類型（深倉或淺倉）；

3). 依據判別的筒倉類型及《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中4.2.2條~4.2.8條計算筒倉倉壁壓力；

4). 根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》、《混凝土結構設計規范 GB 50010-2010》、《無粘結預應力混凝土結構技術規程 JGJ92-2004》進行非預應力鋼筋和預應力鋼筋配筋計算（主要由倉壁的裂縫來控制預應力鋼筋和非預應力鋼筋的配筋量），并驗算是否滿足《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》的構造要求。

3. 工程實例

3.1 工程概況

本工程某電廠兩座直徑為30m、單倉儲量為20000t的大直徑預應力筒倉，高為45.65m的鋼筋混凝土筒倉，倉壁壁厚為0.50m、混凝土倉壁儲料高度為30.650、漏斗中心錐高度7.00m，原煤質量密度為10.0kN/m3，內摩擦角取。倉壁厚度為500mm，采用C40混凝土。預應力筋采用1x7的鋼絞線，鋼絞線強度標準值fptk=1860N/mm2，鋼絞線強度設計值fpy=1320N/mm2，其性能應符合行業標準《無粘結預應力鋼絞線》(JG161-2004)的規定。錨具采用OVM15-n群錨體系對應的錨具，采用無粘結預應力技術。普通鋼筋采用三級鋼（HRB400）。據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中3.3.2條對倉壁的壁厚進行初步估算值為：,本工程的筒倉倉壁厚度暫取為。

3.2 筒倉設計原則

在預應力混凝土筒倉結構中，僅對環向施加預應力，貯料產生的環向拉力由普通鋼筋和預應力鋼絞線共同承擔。無粘結預應力混凝土筒倉按正常使用極限狀態的驗算。根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范GB50077-2003》5.1.5條第3款，本筒倉最大裂縫寬度的允許值為0.2mm。根據《火力發電廠土建結構設計技術規程DL5022-2012》條文7.4.12條第一款規定：倉壁可采用后張法無粘結預應力或有粘結預應力，預應力強度比宜取0.7，不宜超過0.75，且非預應力鋼筋的配筋率不應小于全截面的0.4％。

3.3 筒倉內力計算

3.3.1 倉壁內力計算

由知該筒倉為淺倉。據據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中4.2.6條知筒倉貯料頂面或者貯料重心以下距離處，作用于倉壁單位面積上的水平壓力：

，其中、，故，則倉壁環向拉力。

考慮環境溫度作用時，據據據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》中4.1.1條，直徑30m的筒倉可按其最大環向拉力的6%計算。因此考慮溫度應力時，取。

3.3.2 估算非預應力鋼筋及預應力鋼筋截面面積

取筒倉倉壁根部1m寬倉壁內力作為計算單元，進行無粘結預應力鋼筋的截面面積估算，計算公式可以按下式：

根據算得的1m寬筒倉側壁內預應力鋼絞線的截面面積為1218.2mm2，筒倉側壁底部取預應力鋼絞線為1x7，預應力鋼絞線截面面積為。據《后張法預應力混凝土設計手冊》中3.6節，預應力總損失近似估算值，則。

根據《火力發電廠土建結構設計技術規程DL 5022-2012》條文7.4.12條第一款規定：倉壁可采用后張法無粘結預應力或有粘結預應力，預應力強度比宜取0.7，不宜超過0.75，且非預應力鋼筋的配筋率不應小于全截面的0.4％。非預應力鋼筋的截面面積最小值為，取非預應力鋼筋配筋為22@150（）。

3.3.3 預應力混凝土筒倉倉壁裂縫計算

根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》、《混凝土結構設計規范 GB 50010-2010》、《無粘結預應力混凝土結構技術規程 JGJ92-2004》進行預應力混凝土筒倉倉壁裂縫計算。

預應力混凝土筒倉倉壁裂縫計算公式為： ，其中各參數取值如下：

；；

；，；

；

，??；

計算所得筒倉倉壁最大裂縫為0.022mm＜，滿足《鋼筋混凝土筒倉設計規范 GB50077-2003》5.1.5條第3款要求。預應力鋼絞線及非預應力鋼筋余量很大，可以通過減小預應力鋼絞線的截面面積及非預應力鋼筋的截面面筋進行優化設計。

經優化后的預應力鋼絞線及非預應力鋼筋的截面面筋取值為: 預應力鋼絞線為1x7@500，；非預應力鋼筋為18@150，，計算所得筒倉倉壁最大裂縫為。

4. 結論

通過對圓形預應力混凝土筒倉結構設計思路及計算方法的論述及分析，并結合工程實例，簡單的介紹了圓形預應力混凝土筒倉結構設計所需要遵循的設計規范，通過工程實例的優化分析，圓形預應力混凝土筒倉結構的預應力鋼絞線及非預應力鋼筋的配筋面積主要是有筒倉的裂縫控制等級來決定。而且通過在混凝土筒倉結構中采用無粘結預應力技術，可以減小貯料在倉壁內引起的拉應力，消除混凝土的開裂或者控制裂縫開展大小，避免因裂縫過大而引起鋼筋銹蝕，降低筒倉結構的安全性及耐久性等缺陷。

參考文獻：

[1]. GB50077-2003.鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].

[2]. GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].

[3]. JGJ 92-2004.無粘結預應力混凝土結構技術規程[S].

[4]. 陶學康．后張預應力混凝土設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1996．

[5]. 貯倉結構設計手冊編寫組編. 貯倉結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1996.