预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种仓储结构，特别涉及一种预应力钢结构与混凝土组合的仓储结构。
【背景技术】
[0002]目前，仓储结构，特别是大直径、大容量的浅圆仓体系的结构，均大量使用混凝土或预应力混凝土建造。通常情况下，混凝土体系的浅圆仓结构为了克服仓内散体推力和由此推力形成柱底弯矩，需要在外围设置截面巨大的扶壁柱或者直接采用超厚的混凝土墙体。然而这两种结构都存有如下弊病:当采用巨大的混凝土截面时，截面中只有两弯矩作用方向的内外侧的结构材料可以比较充分的发挥作用，工作应力较高，而截面中间部分的材料工作应力很低，不能充分发挥材料的作用。其次，由于混凝土最小配筋率的限制，巨大混凝土截面内需要配置大量钢筋，而截面中间部分配置的钢筋工作应力同样很低，无法充分发挥钢材高抗拉的材料优势。另外，混凝土的浅圆仓结构在承受仓内散体推力荷载过程中，各扶壁柱基本各自为阵，特别是当仓内储存物局部堆载的情况下，各扶壁柱相互之间联系差，其他扶壁柱为堆载区提供的刚度小，受力整体性能差。同时仓内推力在柱底截面处形成巨大弯矩并直接传递到基础，造成基础截面也相当巨大。混凝土的浅圆仓结构中扶壁柱之间的混凝土墙体受力跨度大，并且墙体受力形式为单向板受力，而板块跨中弯矩大，这就造成墙体需要很厚的截面，且配筋量大成本高。即使设置混凝土环梁，也会由于环梁处于拉弯受力状态，需要巨大的墙体截面及海量配筋才能满足受力及设计要求。再者，混凝土浅圆仓结构均使用巨大的混凝土结构截面，建造施工过程中模板工程量巨大，施工周期长，工序复杂。同时还面临超大体积混凝土浇筑问题，及超长混凝土结构温度应力问题。
[0003]除此之外，混凝土本身是脆性材料，抗拉强度极小，混凝土或预应力混凝土仓储体系的结构在仓内储藏散体材料向外的推力作用下极其容易开裂，开裂后混凝土体系的耐久性能就迅速下降，因此为了保证仓储结构的安全，结构需要使用巨大的截面，同时配置很多钢筋，才能满足设计及使用需求。此时仓储结构体系中的大部分材料都处于低应力工作状态，既不能充分发挥混凝土材料的廉价而耐压的性能，也不能充分发挥钢材的高抗拉性能。由此造成浅圆仓体系的建造成本居高不下。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，要解决现有结构的截面面积大、钢筋和混凝土用量多、材料性能不能被充分利用、结构整体性差、以及施工难度大、施工速度慢，施工成本高的技术问题。
[0005]为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案。
[0006]—种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，包括圆筒状的混凝土墙体，其特征在于:所述混凝土墙体的外侧设有钢管混凝土结构支撑，所述钢管混凝土结构支撑包括沿混凝土墙体外表面间隔布置的一圈竖向支撑，以及由上而下竖向间隔设置在混凝土墙体外表面上的若干道环型钢梁圈。
[0007]所述竖向支撑包括内侧竖直柱肢、外侧斜柱肢和将内侧竖直柱肢与外侧斜柱肢固定连接起来的腹杆，其中内侧竖直柱肢贴在混凝土墙体的外表面上。
[0008]所述环型钢梁圈是由处在同一水平面上的横向钢梁支撑通过横向钢梁支撑与内侧竖直支柱连接节点连接而成的，所述横向钢梁支撑刚性连接或者铰接连接在相邻内侧竖直支柱之间，并且横向钢梁支撑贴在混凝土墙体的外表面上。
[0009]所述钢管混凝土结构支撑还包括有设置在上下相邻的两横向钢梁支撑之间的环向预应力束，所述环向预应力束设置在内侧竖直柱肢上。
[0010]优选的，所述横向钢梁支撑为张弦式预应力钢梁或者为无预应力钢梁。
[0011]优选的，所述张弦式预应力钢梁，包括弧形钢梁、纵向撑杆和预应力钢筋束，其中弧形钢梁贴在混凝土墙体的外表面上，纵向撑杆的固定端焊接连接在弧形钢梁的中部;所述预应力钢筋束对称连接在纵向撑杆与弧形钢梁之间，并且预应力钢筋束的一端与纵向撑杆的自由端连接、另一端与弧形钢梁连接。
[0012]优选的，所述腹杆包括水平腹杆和斜腹杆;所述水平腹杆和斜腹杆的节点均设在与环型钢梁圈的高度平齐的位置处。
[0013]优选的，所述内侧竖直柱肢和外侧斜柱肢为空钢管或钢管混凝土杆件。
[0014]优选的，所述内侧竖直柱肢为方形柱肢或圆形柱肢，外侧斜柱肢为方形柱肢或圆形柱肢。
[0015]优选的，所述腹杆为型钢或者空钢管或钢管混凝土杆件。
[0016]优选的，所述环向预应力束在竖向支撑位置使用索夹或滑槽装置与内侧竖直柱肢连接。
[0017]优选的，所述混凝土墙体为先预制后安装的混凝土墙体或者现浇混凝土墙体。
[0018]优选的，所述先预制后安装的混凝土墙体的墙体预制分片采用竖向分片，即每一个位于两道环型钢梁圈之间的混凝土墙段以及位于环型钢梁圈和基础环梁之间的环形混凝土墙段均沿环形混凝土墙段圆周平均划分成多段墙体单元，墙体单元的四边分别支承于相邻两个竖向支撑及相邻两个横向钢梁支撑上，最下段墙体单元的下边缘支承于基础环梁上。
[0019]与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果。
[0020]1、本实用新型将巨大截面的扶壁柱改为桁架式的钢管混凝土结构柱，即能充分发挥了钢材的高抗拉性能，又能充分利用混凝土材料的廉价而耐压的性能，在满足刚度及抗弯能力的条件下，不仅减小的结构的截面面积及所占用的空间，还减少了混凝土的用量。
[0021]2、本实用新型在桁架式钢管混凝土结构柱高范围内使用多到环向预应力，由预应力束产生环向内压力，平衡仓体内储存材料向外的推力，大幅度减小此推力在柱底产生的弯矩，从而大幅度降低整个仓储结构基础体系的材料用量及建造成本。
[0022]3、本实用新型采用多道与环向预应力束间隔布置的环型钢梁支撑，将结构中原本通高的扶壁柱间墙体从上到下分为多段，使扶壁柱间墙体的受力模式发生改变，由原本两边支承于扶壁柱且主要横向受力的单向板变为四边支承且双向受力的双向板。除此之外，这种结构还大幅度减小扶壁柱间墙体的工作跨度，改善受力性能，从而大幅度减小墙体厚度，节约材料用量。
[0023]4、本实用新型中的预应力束将所有桁架式钢管混凝土柱联系为一个整体，使所有桁架式钢管混凝土柱在承受仓体内储存材料向外的推力时，能成为一个整体工作，互相帮扶，共同受力，避免了体系中各扶壁柱在仓内局部储存或满仓存储时单独受力，这样就大幅提高结构的材料工作效率，并节约结构材料用量。
[0024]5、本实用新型采用的桁架式钢管混凝土柱可以在工厂预制加工成空钢管桁架，运输到施工现场后可直接安装就位，然后在钢管柱中浇筑混凝土。此过程中空钢管桁架的重量较轻，运输及安装均不需要特别的超大机具，并且钢管内混凝土浇筑在钢管柱就位后进行，不需要进行任何模板的安装搭建，施工极其简便。
[0025]6、本实用新型中与预应力束间隔布置的环型钢梁支撑均可采用工厂预制，现场安装的方法，预制过程与现场基础施工及桁架式钢管混凝土柱同步，可大幅度节约工期。
[0026]7、本实用新型采用墙体预制方案后，墙体的预制可以与基础施工、桁架式钢管混凝土柱施工及预应力钢环梁施工同步进行，将墙体混凝土浇筑及养护时间周期压缩到其他结构的施工周期内，大幅度节省整个施工周期。
[0027]8、本实用新型中桁架式钢管混凝土柱间的混凝土墙体厚度及重量很小，同样可采用工厂预制或现场预制，然后分片安装的方法，这样就将建造过程中大面积的空中模板支护及混凝土的浇筑与养护，全部转化为地平面上的混凝土板浇筑，从而大幅度降低施工难度，提高建造施工速度，节约施工成本。
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型的平面示意图。
[0029]图2是本实用型新钢管混凝土结构支撑的部分示意图。
[0030]图3是本实用型的部分立体示意图。
[0031]附图标记:I一竖向支撑、2—横向钢梁支撑、3—混凝土墙体、4一环向预应力束、5 —预应力钢筋束、6 —内侧竖直柱肢、7 —纵向撑杆、8.1 —水平腹杆、8.2 —斜腹杆、9一外侧斜柱肢、10—弧形钢梁。
【具体实施方式】
[0032]如图1、图2和图3所示，这种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，包括圆筒状的混凝土墙体3，所述混凝土墙体3的外侧设有钢管混凝土结构支撑，所述钢管混凝土结构支撑包括沿混凝土墙体3外表面间隔布置的一圈竖向支撑I，以及由上而下竖向间隔设置在混凝土墙体3外表面上的若干道环型钢梁圈。
[0033]所述竖向支撑I包括内侧竖直柱肢6、外侧斜柱肢9和将内侧竖直柱肢与外侧斜柱肢固定连接起来的腹杆，其中内侧竖直柱肢6贴在混凝土墙体3的外表面上。
[0034]所述环型钢梁圈是由处在同一水平面上的横向钢梁支撑2通过横向钢梁支撑2与内侧竖直支柱6连接节点连接而成的，所述横向钢梁支撑2刚性连接在相邻内侧竖直支柱6之间，并且横向钢梁支撑2贴在混凝土墙体3的外表面上。
[0035]在其他实施例中，横向钢梁支撑2也可以铰接连接在相邻两内侧竖直支柱6之间。
[0036]本实施例中，所述最上面一道环型钢梁圈设置在混凝土墙体3的顶部。
[0037]所述钢结构支撑还包括有设置在上下相邻的两横向钢梁支撑2之间的环向预应力束4，所述环向预应力束4在竖向支撑I位置处使用索夹或滑槽装置与内侧竖直柱肢6连接。
[0038]本实施例中，所述横向钢梁支撑2为张弦式预应力钢梁，包括弧形钢梁10、纵向撑杆7和预应力钢筋束5，其中弧形钢梁10贴在混凝土墙体3的外表面上，纵向撑杆7的固定端焊接连接在弧形钢梁10的中部;所述预应力钢筋束5对称连接在纵向撑杆7与弧形钢梁10之间，并且预应力钢筋束5的一端与纵向撑杆7的自由端连接、另一端与弧形钢梁10连接。
[0039]本实施例中，所述横向钢梁支撑2的截面为工字型截面，并且横向钢梁支撑2与桁架式钢管混凝土柱的内侧柱肢6之间的连接是刚性连接或铰接连接。
[0040]本实施例中，所述腹杆包括水平腹杆8.1和斜腹杆8.2;所述水平腹杆8.1和斜腹杆8.2的节点均设在与环型钢梁圈的高度平齐的位置处。
[0041]本实施例中，内侧竖直柱肢6采用方钢管混凝土，外侧斜柱肢9采用圆钢管混凝土，腹杆采用圆钢管。
[0042]本实施例中，所述任意相邻两环型钢梁圈之间的环形混凝土墙段竖向跨中弯矩相等，并且也等于最下面一根环型钢梁圈与基础环梁之间的环形混凝土墙段竖向跨中弯矩。
[0043]这种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构的施工方法，包括如下步骤。
[0044]步骤一:将20m高的混凝土墙体沿高度划分成5个环形混凝土墙段，分段依据是使混凝土墙体在仓内散体压力作用下，各个环形混凝土墙段跨中弯矩基本相同，由此在采用同样板厚的条件下，可使墙体配筋基本相同，以达到方便预制及装配施工的目的。
[0045]步骤二:根据分段后环形混凝土墙段的竖向跨度及受力情况，确定混凝土墙体3厚度为300mm。
[0046]根据工艺条件及结构整体经济性综合确定竖向支撑I的数目。
[0047]根据整体受力计算结果，确定竖向支撑I的截面尺寸、内侧竖直柱肢6截面尺寸、外侧斜柱肢9截面尺寸、腹杆截面尺寸及各环形预应力束4截面尺寸，制作竖向支撑I;竖向支撑I的截面尺寸根据整体计算后，钢材及混凝土材料应力指标均满足国家设计标准要求确定。
[0048]步骤三:施工竖向支撑I，内侧竖直柱肢6采用方钢管混凝土，外侧斜柱肢9采用圆钢管混凝土，腹杆采用圆钢管;并且内侧竖直柱肢6底部柱肢截面中心与外侧斜柱肢9底部柱肢截面中心间距取5m;内侧竖直柱肢6的顶部截面中心与外侧斜柱肢9的顶部截面中心间距取2m;腹杆的节点与混凝土墙体3沿高度的分割位置对齐，按照上述布置，焊接连接所述杆件。
[0049]在其他实施例中，内侧竖直柱肢6可采用圆钢管混凝土。
[0050]在其他实施例中，当混凝土墙体较矮或仓内压力较小时，内侧竖直柱肢6及外侧斜柱肢9也可只在受力较大部位采用钢管混凝土，而其他受力较小部位直接采用空钢管(即钢管中不浇混凝土)。
[0051]步骤四:根据工艺条件及结构整体经济性综合确定桁架式钢管混凝土柱I的数目为36根;并且在设计的混凝土墙体3外表面沿圆周均匀布置。
[0052]步骤五:在墙体分割位置及墙顶分别设置张弦式预应力钢梁，共5道张弦式预应力钢梁;每根张弦式预应力钢梁的两端焊接连接在相邻两内侧竖直柱肢6上，同一水平面上的张弦式预应力钢梁围成一个环型钢梁圈，张弦式预应力钢梁的截面可采用工字型截面也可采用箱型截面或其他组合截面型式，并且张弦式预应力钢梁的预应力束水平设置，以增强张弦式预应力钢梁在水平面内的抗弯刚度，抵抗由混凝土墙体3传来的仓体内压力。
[0053]当然在其他实施例中，每根横向钢梁支撑2的两端也可以是铰接连接在相邻两内侧竖直柱肢6上。
[0054]在其他实施例中，横向钢梁支撑2可采用无预应力钢梁。
[0055]步骤六:在各道张弦式预应力钢梁之间，即腹杆节点之间的内侧竖直柱肢6跨中部位设置环向预应力束，环向预应力束共设置4道，并且环向钢筋束在竖向支撑I位置处使用索夹或滑槽装置与内侧竖直柱肢6连接，所述预应力束在索夹位置是完全夹住不能滑动。
[0056]在其他实施例中预应力束在索夹位置也可以是能够滑动的。
[0057]环向钢筋束的截面面积及预应力大小根据结构整体计算后，环向钢筋束的材料应力指标均满足国家设计标准要求确定。
[0058]步骤七:在设计的位置处施工混凝土墙体3，所述混凝土墙体3为先预制后安装的混凝土墙体，并且混凝土墙体预制分片采用竖向分片，即每一个位于两道环型钢梁圈之间的环形混凝土墙段以及位于两道环型钢梁圈和基础环梁之间的环形混凝土墙段均沿环形混凝土墙段圆周平均划分成多段墙体单元，墙体单元的四边分别支承于相邻两个竖向支撑I及相邻两个横向钢梁支撑2上，最下段墙体单元的下边缘支承于基础环梁上。预制完成后直接吊装安装，形成整体墙体。
[0059]在其他实施例中混凝土墙体3也可采用现浇形式。
[0060]步骤八..混凝土墙体3制作完成后，先对设置在张弦式预应力钢梁上钢筋束进行张拉，然后对内侧竖直柱肢6上的环向钢筋束进行预应力张拉。
【主权项】
1.一种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，包括圆筒状的混凝土墙体(3)，其特征在于:所述混凝土墙体(3)的外侧设有钢管混凝土结构支撑，所述钢管混凝土结构支撑包括沿混凝土墙体(3)外表面间隔布置的一圈竖向支撑(1)，以及由上而下竖向间隔设置在混凝土墙体(3)外表面上的若干道环型钢梁圈； 所述竖向支撑(I)包括内侧竖直柱肢(6)、外侧斜柱肢(9)和将内侧竖直柱肢与外侧斜柱肢固定连接起来的腹杆，其中内侧竖直柱肢(6)贴在混凝土墙体(3)的外表面上； 所述环型钢梁圈是由处在同一水平面上的横向钢梁支撑(2)通过横向钢梁支撑(2)与内侧竖直支柱(6)连接节点连接而成的，所述横向钢梁支撑(2)刚性连接或者铰接连接在相邻两内侧竖直支柱(6)之间，并且横向钢梁支撑(2)贴在混凝土墙体(3)的外表面上； 所述钢管混凝土结构支撑还包括有设置在上下相邻的两横向钢梁支撑(2)之间的环向预应力束(4)，所述环向预应力束(4)设置在内侧竖直柱肢(6)上。2.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述横向钢梁支撑(2)为张弦式预应力钢梁或者为无预应力钢梁。3.根据权利要求2所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述张弦式预应力钢梁，包括有弧形钢梁(10)、纵向撑杆(7)和预应力钢筋束(5)，所述弧形钢梁(10)贴在混凝土墙体(3)的外表面上，所述纵向撑杆(7)的固定端焊接连接在弧形钢梁(10)的中部，所述预应力钢筋束(5 )对称连接在纵向撑杆(7 )与弧形钢梁(1 )之间，其中预应力钢筋束(5)的一端与纵向撑杆(7)的自由端连接、另一端与弧形钢梁(10)连接。4.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述腹杆包括水平腹杆(8.1)和斜腹杆(8.2);所述水平腹杆(8.1)和斜腹杆(8.2)的节点均设在与环型钢梁圈的高度平齐的位置处。5.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述内侧竖直柱肢(6 )和外侧斜柱肢(9 )为空钢管或钢管混凝土杆件。6.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述内侧竖直柱肢(6)为方形柱肢或圆形柱肢，外侧斜柱肢(9)为方形柱肢或圆形柱肢。7.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述腹杆为型钢或者空钢管或钢管混凝土杆件。8.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述环向预应力束(4)在竖向支撑(I)位置使用索夹或滑槽装置与内侧竖直柱肢(6)连接。9.根据权利要求1所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:所述混凝土墙体(3)为先预制后安装的混凝土墙体或者现浇混凝土墙体。10.根据权利要求9所述的预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，其特征在于:先预制后安装的混凝土墙体的墙体预制分片采用竖向分片，即每一个位于两道环型钢梁圈之间的混凝土墙段以及位于环型钢梁圈和基础环梁之间的环形混凝土墙段均沿环形混凝土墙段圆周平均划分成多段墙体单元，墙体单元的四边分别支承于相邻两个竖向支撑(I)及相邻两个横向钢梁支撑(2)上，最下段墙体单元的下边缘支承于基础环梁上。
【专利摘要】本实用新型提供了一种预应力钢结构与混凝土组合的浅圆仓结构，包括圆筒状的混凝土墙体，所述混凝土墙体的外侧设有钢管混凝土结构支撑，所述钢管混凝土结构支撑包括沿混凝土墙体外表面间隔布置的一圈竖向支撑，以及由上而下竖向间隔设置在混凝土墙体外表面上的若干道环型钢梁圈。所述钢管混凝土结构支撑还包括有设置在上下相邻的两横向钢梁支撑之间的环向预应力束。本实用新型在桁架式钢管混凝土结构柱高范围内使用多到环向预应力，由预应力束产生环向内压力，平衡仓体内储存材料向外的推力，大幅度减小此推力在柱底产生的弯矩，从而大幅度降低整个仓储结构基础体系的材料用量及建造成本。
【IPC分类】E04H7/00
【公开号】CN205382745
【申请号】CN201620115913
【发明人】葛家琪, 高向前, 张曼生, 张国军, 王树, 王明珠
【申请人】中国航空规划设计研究总院有限公司, 大唐环境产业集团股份有限公司
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年2月5日