钢筋混凝土筒仓基础设计问题探讨

浙江建筑，第28卷，第7期，
2011年7月Zhejiang Construction ，Vol．28，No．7，Jul．2011
收稿日期：2011－04－02
作者简介：郑庆国（1974—），男，浙江平阳人，工程师，主要从事建筑人防工作。

钢筋混凝土筒仓基础设计问题探讨
A Discussion on The Foundation Design for Reinforced Concrete Silos
郑庆国1，丁智潮
2
ZHENG Qing-guo ，DING Zhi-chao
（1．嘉善县人防设施管理所，浙江嘉善314100；2．浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州310012）
摘要：通过一系列的有限元分析算例，探讨钢筋混凝土筒仓基础设计中的问题，提出了筒仓基础设计以变形反算应力的理
念，对此类结构在设计中如何考虑该问题提出了相关建议。

关键词：筒仓；地基刚度；峰值平台；变形反算应力中图分类号：TU375
文献标识码：B
文章编号：1008－3707（2011）07－0018－03
建筑物的上部结构与地基基础相互联系处于一
个共同作用的完整系统中并且发生变形，两者之间的变形和受力是相互协调的。

而常规设计方法往往把上部结构与地基基础作为两个单独单元，不考虑其变形协调问题，
使得建筑物存在一定的安全隐患。

为确切反映整个系统的受力和变形情况，应进行上部结构与地基基础的共同作用分析，所谓共同作用
就是把地基基础和上部结构合为一体，
在分析其内力和变形时，
考虑其协同变形受力的计算分析方法。

本文重点阐述筒壁支撑的钢筋混凝土筒仓上部结构
和地基基础的共同作用机理，并提出了以变形反算应力进行筒仓设计的理念。

1理论分析
进行上部结构与地基基础共同作用分析时，按
子结构原理将整个结构分成两部分，
上部结构与环形地梁或地筏板组成的结构物部分和桩土组成的地
基基础部分。

为简化问题，着重探讨地基刚度的不均匀性对上部结构受力的影响，分析时按均匀刚度地基和不均匀刚度地基两大类，采用的筒仓模型参数如下：筒仓主体结构由基础、筒壁、环梁、减压锥和仓壁组成，总高度61．50m 、内直径18．00m ，设计容
量为9500t 。

1．1
均匀刚度地基
通过计算分析得到以下结论：此类情况设计时可以按常规设计方法，
即把上部结构与地基基础作为两个单独单元，不考虑其变形协调问题，单独进行设计。

1．2
不均匀刚度地基
在探讨地基刚度的不均匀性对上部结构受力影响时，采用将地基（或桩基础）模拟为弹性支座的有限元分析方法，对上部结构和地基基础作为整体进行分析，
弹性支座的分布见图1，本文计算分析采用有限元分析程序SAP2000。

为分析问题的需要，针对以下两种情况进行详细讨论分析。

图1弹性支座节点示意图
1．2．1地基刚度呈线性变化弹性支座的刚度按组合Ⅰ、组合Ⅱ、组合Ⅲ采用，见表1。

通过有限元计算分析及整理，与均匀刚度地基相比对，弹性支座反力及筒壁应力的差异值见表2。

表1弹性支座的刚度（单位：104ˑkN/s）
组合
弹性支座
4、53、62、71、89、1410、1311、12
Ⅰ3．54．04．55．05．56．06．5Ⅱ35404550556065
Ⅲ350400450500550600650
表2支座反力及筒壁应力差异值（单位：%）组合支座反力筒壁应力
Ⅰ4．04．3
Ⅱ3．74．1
Ⅲ2．23．0
分析表1、表2，并结合计算结果，得出以下结论：
（1）当地基刚度相对变化率相同时，地基绝对刚度越小，结构受力的应力集中现象越明显，随着地基绝对刚度的增大，结构受力的应力集中现象趋向缓和。

（2）从弹性支座反力及筒壁轴向压应力变异系数看，地基刚度线性变化，且梯度不大时，应力集中现象引起的附加增量在整个结构受力中影响并不大，一般在10%之内，按《钢筋混凝土筒仓设计规范（GB50077-2003）》［1］的相关规定设计可以控制其影响程度，如控制平均沉降量、倾斜率等指标。

1．2．2地基刚度存在突变地基刚度存在突变的情况分为两类：一类是地基刚度存在比较明显的强弱分界线或同一结构单元采用不同基础形式且刚度差异较大的情况；另一类是地基局部存在突变，属于局部现象。

分析该问题时，弹性支座的刚度按组合Ⅳ、组合Ⅴ、组合Ⅵ、组合Ⅶ采用，见表3。

通过有限元计算分析及数据整理，与均匀刚度地基相比对，弹性支座反力及筒壁应力的差异值见表4。

表3弹性支座的刚度（单位：104ˑkN/s）
组合
弹性支座
1 78 141、5其它
Ⅳ5．050
Ⅴ50500
Ⅵ5．050Ⅶ50500
表4支座反力及筒壁应力差异值（单位：%）组合支座反力筒壁应力
Ⅳ93．377．2
Ⅴ63．450．7
Ⅵ39．228．4
Ⅶ36．925．5
分析表3、表4，并结合计算结果，得到以下结论：
（1）地基刚度越小，地基刚度突变对上部结构受力影响越大，筒壁的应力集中现象越严重。

（2）地基刚度存在明显强弱分界线时或同一结构单元采用不同基础形式且刚度差异较大的情况下，对上部结构的受力非常不利，尤其是在强弱分界线附近区域筒壁存在明显的应力集中现象，其轴向压应力将成倍增加。

（3）地基刚度局部不均匀情况，由于筒体本身刚度很大，对地基弹性支座反力的重新分配能力较强，与地基刚度存在明显的强弱分界线的情况相比，对上部结构受力的不利程度并不是特别严重，其影响程度视局部不均匀范围大小而变化。

（4）地基刚度存在突变的情况下，在结构设计时必须考虑地基基础和上部结构的共同作用，在概念设计时应避免同一结构单元采用不同基础形式，即使在非抗震设防区域也应避免。

地基刚度突变对结构引起的附加内力，在局部区域大于荷载作用引起的内力，且强度计算起控制作用，而地基不均匀沉降往往小于《钢筋混凝土筒仓设计规范（GB50077-2003）》规定的要求。

2结论与建议
通过筒壁支撑的钢筋混凝土筒仓上部结构与地基基础共同作用理论分析及浙江某水泥生料均化库坍塌事故原因分析，总结出以下结论及建议：
（1）地基刚度均匀和地基刚度线性变化时，可以不进行上部结构与地基基础共同作用计算分析，一般按《钢筋混凝土筒仓设计规范（GB50077-2003）》的相关规定设计可以满足要求。

（2）地基刚度局部不均匀情况，应考虑上部结构与地基基础共同作用效应，虽然由于筒体本身刚度很大，对弹性支座反力的重新分配能力较强，但应该确定支座反力和筒壁应力峰值平台，并且按该峰值平台确定的数值进行结构构件设计，同时可以通过适当增加地梁刚度进行协调。

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第7期郑庆国等：钢筋混凝土筒仓基础设计问题探讨
（3）概念设计时应避免同一结构单元采用不同基础形式，即使在非抗震设防区域也应遵循。

当必须采用该基础形式的情况下，必须严格控制勘察、设计、施工、工程质量验收和使用各环节的质量要求，不能简单套用《钢筋混凝土筒仓设计规范（GB 50077-2003）》的条文，同时增加地梁及支撑筒壁的承载能力储备，以保证极限状况时筒仓结构具备多道防线。

（4）实际设计中计算上部结构与地基基础共同作用时应考虑洞口效应引起的受力变形影响。

正确把握地基刚度的均匀程度，恰当考虑上部结构与地基基础的共同作用，在复杂地基基础的情况下，应通过位移反算应力，确定支座反力和筒壁应力峰值平台，在筒仓结构地基基础设计时应充分考虑。

参考文献
［1］崔元瑞，归衡石，袁海龙，等．GB50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2003．
（上接第17页）
模型JD4和模型JD4a的弹性极限承载力与F
p 相差不到1%，说明模型屈服是因为钢梁翼缘与环板连接处出现塑性铰。

有限元分析中发现，模型JD4b破坏时，环板大部分已经屈服，钢梁翼缘与环板交接处也出现了塑性铰，而模型JD4c和模型JD4d均为外环板屈服破坏。

模型JD4b与JD4的弹性极限承载力相差3%左右，但环板外伸宽度相差50mm，接近30%，因此建议环板外伸宽度可较标准图集减少25%，比文献［5］单轴向梁节点模型分析环板可减小1/3外伸宽度结论有所减少，说明十字交叉梁以及柱截面的改变使节点受力性能有所下降。

5结论及建议
（1）3种方钢管混凝土柱变截面节点形式，在单调荷载作用下，其承载力与柱截面未改变的标准节点相近；在低周反复荷载作用下，滞回曲线饱满，具有良好的延性和耗能能力。

而JD4的构造形式避免了室内柱子有凸角的现象，有一定的优越性。

（2）外环板节点的梁端弯矩一部分通过柱脚外侧的环板传递到柱腹板和核心混凝土，另一部分则主要通过柱角内侧大约0．2 0．25b（b为柱截面的宽度）宽度范围的环板传递到柱翼缘和核心混凝土。

（3）按照国家标准设计图集01SG519设计的外环板节点，其破坏均为梁端破坏，外环板有一定的后续承载力。

随着外环板外伸宽度的减小，节点的弹性极限承载力逐渐降低，且降低幅度增大。

外环板外伸宽度取图集规定的75%，已能满足节点刚接性能的要求，说明外环板的宽度可以适当减小。

参考文献
［1］韩林海．钢管混凝土结构———理论与实践［M］．北京：科学出版社，2004：23－25．
［2］陈惠发．土木工程材料的本构方程［M］．武汉：华中科技大学出版社，2001：206－210．
［3］Hajjar J F，Schiller P H，Molodan A．A distributed plasticity model for concrete-filled steel tube beam-columns with interlayer slip［J］．Engineering Structures，1998，20（8）：663－676．
［4］郝文化．ANSYS土木工程应用实例［M］．北京：中国水利水电出版社，2005：102．
［5］杜培源．方钢管混凝土柱-工字钢梁节点性能研究［D］．南京：南京工业大学土木工程学院，2006．
02浙江建筑2011年第28卷。