【结构扫盲系列.原创】水泥库结构设计探讨

作者简介：工业设计院十余年工作经验，一级注册结构工程师。

主要擅长：钢结构、钢筋混凝土筒仓结构、工业厂房、挡墙、网架、工业建筑改造等。

本文主要讨论的是直径18m，高度45m，储量1万吨的混凝土筒仓。

1. 布置：

规范规定直径大于18m的筒仓，宜单独布置。但实际工程中经常是2个、4个甚至是6个筒仓布置在一起。这样的布置对基础存在一定的安全隐患，当某个仓长时间是空仓状态时，连体仓的重心和基础底板的形心偏差较大，对基础底板产生较大的附加弯矩。

规范也规定当群仓总长度超过50m时，宜设伸缩缝，所以最好是避免6个直径18m的筒仓连在一起布置。

2. 深仓浅仓：

1.5倍为深浅仓的人为分界点。当大于1.5时，储料在仓壁上的摩擦力对水平侧压力影响较大，导致仓壁上的水平侧压力分布非线性，因此人为选择1.5作为分界点。仓壁高度在临界点附近时，在计算仓壁及库底板时，建议取深浅仓各算一次取较大值。深浅仓对计算基础底板没有意义。

3. 环形基础（整板基础）尺寸确定：

地基承载力较高时会选择做环形基础或整板基础。在SFD中输入筒仓尺寸、地震、地基承载力等各项参数，SFD会自动计算出环形基础（整板基础）的平面尺寸、高度以及配筋。

需要注意的是在高烈度区，基础的高度往往是由地震作用参与的荷载组合控制的。环形基础仅需布置板底悬挑钢筋，而整板基础需要根据弯矩图（简单来说，SFD中给出的正弯矩为板底弯矩，带负号的弯矩为板面弯矩）双层双向布置钢筋。

另外需要手工复核环形基础（整板基础）的高度是否满足剪切承载力的要求，计算公式同独立基础计算柱与基础交界处的受剪承载力。

4. 地基梁截面高度确定：

地基梁和库顶环梁其实作用都一样，都类似砌体结构中的圈梁，是一种构造上的加强。为方便施工，库顶环梁一般都做在组合楼盖大钢梁的下方。地基梁的高度可以和环形基础高度一样，也可以比环形基础的高度要高些，应按下面所说的两处计算来确定：

在环形基础的非洞口处，应按地基规范验算仓壁与基础梁连接处的剪切承载力（类似上面的环形基础高度，计算公式也一样），若不够，加大基础高度或基础混凝土等级。

在环形基础的洞口处，应按倒T形梁根据地基反力和基底面积验算基础的抗剪是否满足要求， 若抗剪强度不满足要求，加大基础高度或基础混凝土等级，也可以通过箍筋和弯起钢筋来满足抗剪要求（这已经是一个纯粹的梁的抗剪问题了）。

此处说的地基梁指环形基础中的地基梁。整板基础由于其反力较小（相对于环形基础），底板的厚度一般都可以满足抗剪的要求，故不需要另外单独设置地基梁（况且洞口处底部有附加钢筋的做法，也相当于地基梁）。

5. 桩基础：

可以通过SFD给出的筒仓底部内力标准值来计算所需要的桩数，一般桩的竖向极限承载力标准值为两倍的筒仓底部内力标准值。但在高烈度区注意桩的数量需满足水平地震力的要求。

当桩沿筒壁中心线两侧布置时，要注意调整内外侧的桩数和距离筒壁中心线的距离使得内外侧桩（排除内柱或内竖壁的桩）的形心要和仓壁的中心线重合。

6. 内柱及库底板：

内柱的作用是减少库底板的跨度，如果不设内柱，库底板将会做的非常大，规范建议15m以上的深仓要做内柱。

内柱一般按轴压比控制，计算轴压比时，储料的重力荷载代表值可取80%的储料总质量，组合值系数宜取0.8。群仓的内柱需考虑在地震作用下因不均匀储料对柱产生的扭转及弯曲效应，筒仓规范建议取1.1~1.25的扭转增大系数及1.1~1.6的柱端弯矩增大系数。

因此在设计时柱截面和配筋均应人为放大，但配筋率不应大于2%，理由是配筋率大时，当储料瞬时卸空后容易出现水平裂缝，当钢筋和混凝土粘结力很强时容易出现垂直裂缝。

18m水泥库常见的是8个内柱在半径4500处均匀布置，截面一般为900X900，内柱顶上为厚度1100的库底板，库顶板上面为混凝土减压锥。

也有不做内柱的，在库底板处仅做一圈环梁，然后再环梁上做一个混凝土大锥壳，锥壳厚度一般为700。搁置锥壳的环梁可按弯剪扭构件进行设计，也可按牛腿构件进行设计。

7. 筒壁与仓壁：

筒壁厚度一般取400。筒壁承受料的竖向压力和地震时的剪力，当筒壁开孔较多时，宜适当加大。当不做内柱时，建议筒壁厚度取900，然后直接和锥壳相连。

仓壁厚度一般取350。仓壁主要是水平筋受力，水平筋一般为三排且间距较密，竖向筋一般为构造。仓壁的厚度一般都是受裂缝控制。所以筒仓规范建议直径大于21m采用预应力仓，预应力对控制裂缝有显著作用，但施工难度较大。

连接接头的位置是受力薄弱环节，所以库水平筋要求搭接接头错开。水平筋可以采用绑扎接头，也可以使用焊接接头，一般单面焊为12d，双面焊为6d。

水泥库一般不设置耐磨层。

8. 库侧框架：

库侧框架一般都是到库顶，高度较高，为了避免脚手架搭设过高，一般都做钢框架。库底板以上一般都是滑模施工，要求仓壁外侧不能有混凝土外挑构件，所以库侧牛腿一般都是钢牛腿。当仓壁有悬挑构件（如混凝土雨棚）时，在滑模时宜将雨棚的钢筋弯起，待模板过去以后，再掰回来。

库侧框架为钢结构时，由于库体可看做是刚性支撑，故和库连接一侧的钢柱不需要设置斜撑。

9. 星室：

当4个18m直径水泥库的星室也堆满料时，星室的料重也达到了4000吨，所以星室堆料对基础和对仓壁都产生很大影响。

近星室侧的基础反力很大，所以近星室侧的基础底板面积、基础高度都比远近星室侧的要加大。

星室的料压对仓壁会产生弯矩与环向拉力。对于仓壁，最不利的情况是星室堆满料而筒仓空载的时候，但这个情况应该比较少见，所以一般情况下水平筋不做放大处理。

10. 仓顶：

一般滑模施工仓顶均采用组合楼盖，滑模时把钢梁带上去，这样就不用从库底板搭脚手架和支模板了。

组合楼盖的做法为钢梁先组成一个平面，平面顶上搁置压型钢板，钢梁的间距取决于压型钢板的厚度，一般组合楼盖钢梁的间距为2m左右，注意钢板波纹的放置方向要垂直于钢梁。混凝土浇筑在压型钢板上，混凝土的厚度根据坡度有变化，最薄处150mm。

一般水泥库顶会搁置设备和钢平台。钢平台支腿及设备宜搁置在钢梁上。对于仓顶上做框架，框架柱应直接支撑于仓壁顶部的环梁上，并在柱脚环梁处设纵，横连系梁。地震区考虑到鞭梢效应，仓顶建筑地震作用增大系数为4.0，故仓顶宜做钢框架，减少自重，减小地震作用。

当仓顶有较大水平力时，钢梁布置方向宜与水平力方向垂直，因为钢梁与混凝土仓壁的连接（仓壁水平筋与钢梁腹板焊接）施工质量并不可靠，这样可以避免仓壁钢梁搁置处产生裂缝。

11. 偏心卸料：

对仓壁产生较大附加侧压力，应尽量避免，简单考虑即把仓壁水平筋面积放大1.5倍；内柱和基础设计时也应该考虑此偏心力，当计算不清楚时，构造上应予以考虑。

12. 与钢板仓的比较：

钢板仓施工周期短，造价低，但易磨损，后期的保养维护费用较高。尤其是在寒冷的北方地区，1w吨以上的钢板仓，安全性是比不上混凝土筒仓的。

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