◎ 向 毅，王 准，杨方德，李 涛，游 赟

（1.中储粮成都储藏研究院有限公司，四川 成都 610000；2.郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

粮食钢筋混凝土浅圆仓是指高径比≤1.5的钢筋混凝土筒仓，其因仓容大、气密性好、占地小、机械化程度高及经济性好而广泛应用于粮食行业[1]。粮食钢筋混凝土浅圆仓仓顶结构形式常见有正截圆锥壳结构（简称锥顶）、穹顶结构。两种结构形式均有传力路线明确、承载力高、外形美观及经济适用等特点。在外荷载下处于空间受力状态，刚度大、抵抗外荷载能力强、抗震性能优良。在均布对称荷载作用下，内力以压应力为主，弯矩和扭矩都很小，能够充分发挥混凝土抗压强度高的特点。现以成都市温江区低温库改扩建项目为例进行分析。

1 项目概况

成都市温江区低温库改扩建项目位于成都市温江区，抗震设防烈度为7度0.1 g，第三组。建设2个直径20 m的浅圆仓，装粮高度23.75 m，檐口高度26.50 m，仓顶高度4 m。根据工艺给定的条件，拟定两种仓顶结构方案，方案一为锥壳结构，板厚度200 mm，仓顶与水平面的夹角25.2°；方案二为穹顶结构顶，板厚200 mm。从结构受力、施工、工程造价和使用便捷4个方面对两种仓顶结构方案进行分析。

2 结构受力

利用结构有限元程序Midas Gen建模分析。结构如图1、图2所示。

图1 锥顶结构图

图2 穹顶结构图

2.1 风荷载

根据《建筑结构荷载规范》，风载荷的计算公式为：

式中，wk-风载荷标准值；βz-高度z处的风振系数；μs-风载荷体形系数；μz-风压高度变化系数；w0-基本风压。

本项目中，βz、μz、w0均相同，只需比较μs。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）[2]表8.3.1第36项旋转壳顶，按式（2）、式（3）计算，结果如表1、表2。

式中，f-矢高，l-跨度，φ-仰角。

表1 锥顶结构μs表

表2 穹顶结构μs表

综合分析可知，锥顶和穹顶均受风吸作用，在相同位置，穹顶结构所受风荷载作用均小于或等于锥顶结构。穹顶结构抵抗风荷载作用更强，更适于在台风或飓风高发地区修建。

2.2 地震作用

采用振型分解反应谱法计算，选取前5阶振型比较位移。结果见表3。

经过各阶振型的位移计算，穹顶结构在地震荷载作用下的位移小于锥顶。从各阶振型的位移云图（图3～图7）可知，穹顶结构的变形更加均匀，受力性能更优。

表3 各阶振型位移比较表（单位：mm）

图3 第1阶振型位移云图

图4 第2阶振型位移云图

图5 第3阶振型位移云图

图6 第4阶振型位移云图

图7 第5阶振型图位移云图

2.3 仓顶均布活荷载

按上人屋面，仓顶活荷载为2 kN·m-2，比较同一工况下的两种仓顶结构在A、B、C、D、E点的变形和内力。

在同一工况下，两种仓顶形式的位移如图8、图9所示，差值见表4。

图8 锥顶位移图（单位：mm）

图9 穹顶位移图（单位：mm）

从表4可以看出，在A点处两者位移非常接近，但在其余部位，锥顶结构的竖向变形均大于穹顶结构；穹顶结构的变形非常均匀，而锥顶结构的变化较大。

表4 两种仓顶位移比较表（单位：mm）

同一工况下，两种仓顶形式的环向力如表5。从表5可以看出，锥顶结构在支座位置处（A点、C点）内力大，在跨中位置处（B点）内力小，两者的绝对值差值为25.6 kN。穹顶结构在支座位置和跨中位置的绝对值差值7.5 kN。比较得知，穹顶结构受力均匀，空间性更好。从两种形式的仓顶对应位置的内力差值来比较，除中点（B点）外，锥顶结构均大于穹顶结构。

表5 两种仓顶环向力比较表（单位：kN）

在同一工况下，比较两种仓顶形式的径向力如表6。经分析计算得出，锥顶结构在支座位置处（A点、C点）内力大，在跨中位置处（B点）内力小，两者的绝对值差值为14.3 kN。穹顶结构在支座位置和跨中位置的绝对值差值0.4 kN。比较得知，穹顶结构受力均匀，空间性更好。从两种形式的仓顶对应位置的内力差值来比较，支座处（A、C点），锥顶大于穹顶。其余位置，锥顶小于穹顶。

表6 两种仓顶径向力比较表（单位：kN）

在同一工况下，比较两种仓顶形式的绕X向弯矩如表7。两种仓顶形式X向弯矩均较小，不同结构仓顶无明显差别。

表7 两种仓顶绕X向弯矩比较表（单位：kN·m）

在同一工况下，比较两种仓顶形式的绕Y向弯矩如表8。两种仓顶形式Y向弯矩均较小，可忽略不计。

表8 两种仓顶形式绕Y向弯矩比较表（单位：kN·m）

2.4 仓顶电缆吊挂荷载

每个仓24个点吊挂电缆，每个点按公式（4）[3]，带入数据计算得69 kN。

式中，μs-粮食对电缆摩擦系数，为0.3；Pv,k-深度s处水平面上的静态垂直压力标准，为132 kPa；γs-粮食重力密度，为8 kN·m-3；μ-粮食对仓壁的摩擦系数，为0.4；ρ-筒仓截面水力半径，为5 m；Kd-电缆荷载动态修正系数，取2。

从图10电缆吊挂荷载下仓顶位移云图可以看出，在最大位移均在吊挂点处，锥顶最大竖向位移为0.755 mm，穹顶最大竖向位移为0.657 mm。可以看出穹顶在吊挂电缆荷载下的受力优于锥顶。

图10 电缆吊挂荷载下仓顶位移云图（单位：mm）

3 结构施工

本文仅对仓顶结构进行分析，筒身及基础等不做详细讨论。两种结构形式的仓顶常规施工方法均采用在檐口处设置预埋件，搭设伞形钢模板的方法施工。根据成都市温江区的实际情况调查得知，现市场上锥顶钢模板较为常见，且能适应不同直径和高度的仓顶，易于调节大小。而穹顶需要弧形钢模板，随着仓顶直径和高度的变化，弧形钢模板难以灵活调整。且四川地区市面上没有现成的弧形钢模板，如采用外地调运，则需要长距离运输，加大工程造价。从施工便捷性比较，在现有的市场上，锥顶明显优于穹顶。但在保温层和防水层施工时，穹顶更为平缓，施工更便捷，施工质量更易得到保证。

3.1 工程造价

穹顶的混凝土为72.9 m3，锥顶混凝土为69.5 m3，两种仓顶结构形式的混凝土和钢筋用量无明显差别。工程造价差异主要体现在施工费用上，根据成都市温江区的实际情况，本地区没有弧形钢模板，如果采用需要从河南等地运输至项目所在地，经过测算，采用穹顶施工费用比锥顶高约30%。

3.2 运行维护

锥顶和穹顶均能满足工艺需要，但在使用上有一定的差别，与锥顶相比，穹顶仓顶更平缓，人员行走和设备安装更便捷。

4 结论

本文通过综合比较浅圆仓锥顶和穹顶结构形式，得出如下结论：①穹顶的受力性能明显优于锥顶结构，在仓顶荷载较大、地震烈度高、风大的地区优势更为明显。②就一般地区而言，弧形钢模板较少，施工费用穹顶明显高于锥顶。但如果项目所在地有弧形钢模板可用，则无明显差别。③穹顶使用上优于锥顶，如果建设方对浅圆仓的使用要求较高，可优先选择穹顶结构。因此，如果项目所在地区有弧形钢模板，笔者更加推荐使用穹顶浅圆仓。