主要观点总结
本文以邹平铁路专用线货场工程6个直径φ30m筒仓工程为例，介绍了预应力混凝土圆形筒仓的设计要点难点，通过有限元模型计算对桩筏基础、仓壁预应力、仓底框架结构等进行分析，展示了筒仓结构在各工况下的力学性能，为类似工程提供借鉴。文章主要分为工程概况、荷载标准、模型建立、桩筏基础计算、仓壁预应力计算、仓底框架结构计算及结语几个部分。
关键观点总结
关键观点1: 工程概况
介绍了邹平铁路专用线货场工程的概况，包括工程规模、设计使用年限、结构安全等级、抗震设防烈度等。
关键观点2: 荷载标准
详细阐述了本工程的荷载标准，包括自重、仓顶室荷载、贮料压力荷载等，并介绍了荷载估算的方法。
关键观点3: 模型建立
介绍了建立模型的方法，包括仓底结构、仓壁分层建模、贮料荷载输入等。
关键观点4: 桩筏基础计算
通过软件计算，分析了桩筏基础的受力情况，包括单桩反力、筏板平均沉降量等，并验证了设计的合理性。
关键观点5: 仓壁预应力计算
介绍了预应力混凝土筒仓的设计原则，包括环向施加预应力、裂缝控制等级、预应力筋的张拉控制应力等，并通过软件提取仓壁中的水平拉力，进行了预应力配筋设计。
关键观点6:
对仓底框架结构进行了建模计算，分析了其承载能力和抗震性能，并展示了计算结果。
关键观点7:
总结了本文的主要内容和研究成果，并指出了需要进一步研究的问题。
正文
作者：宁业辉 | 中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院
以邹平铁路专用线货场工程6个直径φ30m筒仓工程为例，结合《无粘结预应力混凝土结构技术规程》、《钢筋混凝土筒仓设计标准》及其他相关规范、设计手册等，从预应力筒仓设计方案、预应力和非预应力钢筋的估算、实际有效预应力的计算、温度作用、地震作用、贮料压力荷载等方面，对预应力混凝土圆形筒仓的设计要点难点进行了研究与总结。通过有限元模型计算对桩基反力、筏板受力、仓壁应力以及裂缝控制进行分析，直观形象地展示了筒仓结构在各工况下的力学性能，为类似工程提供借鉴和参考。
1. 本工程为新建邹平县交通基础设施建设投资有限公司铁路专用线货场工程6个直径30m筒仓，建设地点位于山东省邹平市，单仓容积30000m
3
，单个仓容2.7万t，总储量16.2万t，仓体采用预应力钢筋混凝土结构，仓底采用框架柱+筒壁支承，基础采用桩基+筏板基础。
2. 本工程设计使用年限按50年考虑，结构安全等级：二级，结构重要性系数1.0，抗震设防类别：丙类。基础设计等级为丙级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，地震动反应谱特征周期为0.65s，场地类别为Ⅲ类。
基本风压（50年重现期）：
WO=0.40kN/m
2
；
基本雪压（50年重现期）：
WO=0.45kN/m
2
。
计算软件采用采用北京盈建科软件股份有限公司YJK建筑结构设计软件系统（V2.0.3版）进行建模计算，采用MIDAS/Gen有限元分析软件进行校核。
3. 筒仓分区示意图（3、4号仓顶室为四层框架，1～2、5～6号仓顶室为单层框架，筒仓主体结构重点以3、4号筒仓为例计算）
钢筋混凝土容重按26kN／m
3
，电煤容重按照10kN／m
3
；
仓顶室楼面恒载取值1.54kN/m
2
，楼面活荷载取值为4kN/m
2
，设备吊车荷载按工艺提资施加。
荷载估算：
单仓贮料自重计算：
=10*3.14*15*15*45
=317925kN
以3号仓为例，
仓上建筑物恒载标准值：170619.2kN，
活载标准值：12358.6kN，
筏板和覆土自重：
3.14*18.5*18.5*2*25+
3.14*18.5*18.5*2.5*18
=102093kN
估算总重标准值：
317925+170619.2+12358.6+102093
=602996kN
本工程圆筒仓的高径比hn/dn=45m/30m
=1.5，按照圆形深仓计算，本文利用盈建科软件开发的贮料压力施加的功能，比较真实地模拟贮料压力随煤仓高度变化的特点，程序自动计算水平压力Ph、竖向压力Pv、侧壁摩擦力Pf如下表，自定义工况中贮料荷载分项系数定义如下表：
与《钢筋混凝土筒仓设计标准》给出的深仓贮料压力公式手算对比分析，程序施加无误。
仓底结构为筒壁+钢筋混凝土框架结构，将仓壁分层建模，截锥壳部分采用斜墙建模，仓顶室为四层钢筋混凝土框架结构，模型三维图示、有限元划分、贮料荷载输入如下：
基础采用桩筏基础，盈建科基础模块中建立模型如图所示。桩径采用800mm，±0.000相当于绝对标高21.50m，筏板厚度1.80m，桩顶绝对标高为17.400m，桩端持力层为第⑩层粉质黏土层，且桩端全断面伸入持力层不小于1.5m，有效桩长不小于50m，桩底标高为-32.60m。本工程单桩反力均小于竖向承载力特征值Ra=3800kN，筏板平均沉降量65mm左右，均小于规范规定值200mm，最大差异沉降为0.17%L（L为两测点的距离），满足规范规定的倾斜率不应大于0.004的要求。筏板为1.8m厚平板式筏形基础+局部柱墩形式，经多次优化布桩配筋，筏板受弯、裂缝（控制在0.2mm）、抗冲切等均满足要求。
对于大直径混凝土筒仓结构，采用普通钢筋混凝土结构，单纯地通过提高混凝土强度和增加环向钢筋已难以满足裂缝控制等设计要求。《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50017-2017）第3.3.10条规定“直径等于或大于21m的仓壁、圆锥形漏斗的配筋，不能符合正常使用极限状态的设计要求时，应采用预应力混凝土结构”。将无黏结预应力技术应用于大直径混凝土筒仓，可以充分发挥技术先 进、工艺简单、施工迅速的特点，利用混凝土的高抗压强度和高强钢丝、钢铰线 的高抗拉强度特点，对仓壁施加预应力，用高强度钢材来承担仓壁的环向拉力，防止仓壁开裂，达到减小仓壁厚度，节省大量混凝土和钢材的目的。
按照规范要求并参照文献，总结预应力混凝土筒仓设计的一般原则为：
1．一般仅对环向施加预应力。采用无粘结后张法预应力混凝土结构，由预应力筋和非预应力筋共同承担。
2．预应力混凝土筒仓结构的裂缝控制等级可按2级考虑（为一般要求不出现裂缝的轴心受拉构件）。按荷载准永久效应组合进行设计时，混凝土不产生拉力；按荷载标准效应组合进行设计时，混凝土允许产生拉应力，但拉应力不超过0.3ftk。荷载准永久效应组合的准永久值系数取0.8。
3．采用后张法无粘结预应力混凝土结构．其预应力筋的张拉控制应力可按式
计算。
4．预应力筒仓的最大仓壁厚度t(mm)，可按t=dn／100+50 (dn为筒仓内径，单位mm)计算，当仓壁最大厚度超过400mm时，可考虑将仓体做成变截面的，厚度差不宜大于100mm，变截面位置可在2/3Hn处，内表面取平。
5．预应力筒仓的非预应力筋的配筋率，水平环向不小于0.4％，直径不小于∅10，间距不大于200mm，也不小于70mm。
垂直钢筋：仓壁应配置双层钢筋，以承受由于筒仓局部装料或预加应力时引起的弯矩，此外钢筋的数量也应能满足温度应力的仓壁所受其荷载的要求，其钢筋直径不小于∅12，其它按《钢筋混凝土筒仓设计标准》有关规定进行。
6．预应力筋采用无粘结钢丝束，其局部偏差摩擦系数K和筋与孔道壁之间摩擦系数μ值，应按有关专门规定取值。必要时可按下列数值参考选用：即直线段的K=0.0015；曲线段的K=0.0035，μ=0.10。
7．预应力混凝土筒仓的混凝土强度等级的采用，一般不低于C30。仓壁混凝土的保护层厚度，对预应力钢丝束不应小于40rnm；非预应力筋不应小于25mm。
8. 预应力筋的张拉锚固点，采用沿圆周均匀分布的原则，力求钢丝束作用于圆形仓壁而引起的压应力尽可能均匀。在每一壁柱的同一截面上锚固筋的数量不得超过总数的1/2，即锚固点要间隔设置。
9．预应力钢丝束的间距，应满足张拉端锚固面局部承压计算的要求，不小于200mm，最大不应超过3倍仓壁厚度，也不得大于1000mm。
10．预应力简仓采用扶壁柱的型式锚固预应力筋时，其柱的外形尺寸满足局部承压面积计算要求和端部张拉操作行动的方便。同时还满足锚具喇叭管埋设抗剪切、抗劈裂等受力要求，其肋高不小于350mm，宽度不小于1000mm。联系筋的配筋率不小于0.5％。
11．仓壁洞口处理：当预应力钢丝束的布置遇到洞口时，在可能条件下，将这1部分钢丝束按喇叭状扩大，紧靠洞口绕过，嗽叭口长度从洞口中心算起，不大于仓的直径，也不得小于6倍的洞高。要考虑由于满载和空载引起的洞口应力集中以及钢丝束叉开所产生的水平分力和垂直分力的影响。洞口两侧每侧配置的垂直钢筋面积，不小于0.5倍洞口切断的垂直钢筋面积，也不得小于按垂直弯矩或垂直力计算时所得钢筋面积(即由于钢丝束叉开引起的)。
12．预应力筒仓的预应力范围，一般从仓底到仓顶环梁以下范围以内，均宜采用预应力，由于筒仓结构贮料压力作用的特点，荷载基本上为三角形沿仓高分布，形成上小下大，因此，在仓的上部一定范围内，也可适当采用变截面混凝土仓壁结构，此时在变化点处应设置暗梁以协调其应力变化。暗梁宽度同仓壁厚度，高不小于1.5倍仓壁厚度，配筋按轴拉构件计算。纵向受力钢筋配筋率不小于0.4％。
按照以上设计原则，对本工程筒仓进行计算分析，在堆煤的范围（标高：11m~50m）的侧壁使用预应力技术来平衡堆载产生的水平拉力。采用盈建科和MIDAS/Gen软件，对煤仓进行整体计算，从软件中提取仓壁中的水平拉力如下表所示：
