CN107060450A - 一种复合材料模块化储料棚 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合材料模块化储料棚，包括：一底座，具有两列凹形滑道；与底座固接于所述凹形滑道的储料棚主体，包括多个依次连接的复合板材模块，各复合板材模块的两端均与所述底座固接；所述复合板材模块为弧形结构，其包括多个依次连接的复合材料单元；各相邻的复合材料单元之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元连接。使用高强度、超轻、高阻燃性和抗老化的蜂窝复合材料制成的板材作为大跨度储料棚的建造材料，采用专用的连接结构将板材进行对接，能够快速构造出符合各项要求大跨度储料棚。

Description

一种复合材料模块化储料棚
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及仓储建筑结构，具体涉及一种复合材料模块化储料棚。
背景技术
我国已有的工业散料场大多采用露天堆放，粉尘外逸造成大气污染，加剧雾霾天气。为此，随着我国工业发展和对环保要求越来越严格，2013年9月国务院推出《大气污染防治行动计划》(即“国10条”)，其中第一条第(二)款规定：“大型煤堆、料场都要实行封闭储存”，要求煤场必须采用封闭或半封闭式作业，由此带来全国3000个以上工业料场需要封闭，市场需求巨大。
但是传统散料场封闭大部分采用“螺栓球钢网架+彩钢板”的结构形式，普遍存在空间跨越能力小(不超过120m)、用钢量高、施工质量难控制、需对现有储运设备进行改造、并影响正常生产运营等问题。
为了提高大跨度储料棚的建造质量，并保证在使用过程中经久耐用，不坍塌，现有技术中已有一些解决方案。比如现有大跨度储料棚采用整体式网架式设计或穹顶采用网架式结构，而支撑部分采用钢筋混凝土，所有这种形式储料棚的建造不仅建造周期长，钢材用量惊人，工程造价昂贵，因而跨度不可能建造得很大。
中国发明专利申请(申请号：201410354181.8)，公开了一种自撑性罩式仓储棚及其建造办法。其中自撑性罩式仓储棚包括底座、外罩、龙骨骨架、钢丝网状结构等部分。底座是钢结构或混凝土结构；外罩为可充气且可注入液体可固化填充材料的薄膜模板，它包括外侧面和内侧面，并且外罩固定在底座上；龙骨骨架与外罩内侧面固定连接；钢丝网状结构沿外罩外侧面盘绕并与底座连接。该发明的自撑性罩式仓储棚的建造办法包括通过充气薄膜模板的进气口向充气薄膜模板内注入高压空气，通过龙骨骨架的中空管的液体注入口注入液体可固化填充材料以及通过薄膜模板的液体注入口注入液体可固化填充材料等步骤。这种仓储棚及其建造办法，理论上可行，实际建造成本非常高，尤其是充气薄膜模板和龙骨骨架当前国内无法生产，国际上也仅有一家可生产，产能受限，不可能大规模推广应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种复合材料模块化储料棚，使用高强度、超轻、高阻燃性和抗老化的蜂窝复合材料制成的板材作为大跨度储料棚的建造材料，采用专用的连接结构将板材进行对接，能够快速构造出符合各项要求大跨度储料棚。
为达上述目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种复合材料模块化储料棚，包括：
一底座，具有两列凹形滑道；
与底座固接于所述凹形滑道的储料棚主体，包括多个依次连接的复合板材模块，各复合板材模块的两端均与所述底座固接；
所述复合板材模块为弧形结构，其包括多个依次连接的复合材料单元；
各相邻的复合材料单元之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元连接。
进一步地，一对连接板单元与复合材料单元之间通过两组具有螺纹的连接件连接；
相邻的两个复合材料单元的连接端分别形成一组第一连接通孔，所述第一连接通孔内均嵌设具有内螺纹的预埋件；
所述一对连接板单元均形成两组与所述第一连接通孔对应的第二连接通孔；所述第二连接通孔均嵌设具有内螺纹的预埋件；
每一第一连接通孔的均对应两个第二连接通孔，通过至少一连接件旋合于其中嵌设的预埋件。
进一步地，单个所述复合材料单元的宽度为1.8m至2.5m，长度为6m至12.5m，厚度为0.2m至0.35m。
进一步地，所述连接板单元与复合材料单元同宽，长度为1m至1.4m，厚度为0.06m至0.09m。
进一步地，各单个所述复合材料单元选用蜂窝复合板材，整体弹性模量为50GPA至60GPA，密度为45kg/m3至50kg/m3。
进一步地，所述连接板单元选用蜂窝复合板材，整体弹性模量为55GPA至65GPA，密度为52kg/m3至60kg/m3。
进一步地，所述连接件为强度等级高于8.8级的高强螺栓，规格为M24至M42。
进一步地，每组第一连接通孔呈两排均布，空间分布距离为0.4m至0.75m。
进一步地，所述第一连接通孔中的预埋件的一侧及与其对应的一第二连接通孔与一外侧连接件旋合；所述第一连接通孔中的预埋件的另一侧及与其对应的另一第二连接通孔与一内侧连接件旋合。
通过采取上述技术方案，由于采用的复合材料自重轻，棚体荷载小，本发明能够实现超轻高强度穹顶建筑结构的超大跨度储料棚，中间无立柱支撑，最大跨度达240m。采用模块化设计和建造，可以根据需要，在工厂预制规格、性能一致的复合材料单元，在现场采用模块化安装，节约工期及安装成本；并且，对于改造型项目，可在不影响生产单位的正常运行的前提下实现。
附图说明
图1为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚的储料棚主体结构示意图。
图2为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚的一复合材料单元的截面构成示意图。
图3为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚的一复合材料单元的连接结构立体示意图。
图4为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚的一复合材料单元的连接结构截面示意图。
图5为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚的一复合材料单元的连接结构受力分析示意图。
图6为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚受自重载荷时的受力及变形数值模拟模型示意图。
图7为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚受积雪和冰载时的受力及变形数值模拟模型示意图。
图8为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚受向下和侧向风载时的受力及变形数值模拟模型示意图。
图9为本发明一实施例中复合材料模块化储料棚受向上和侧向风载时的受力及变形数值模拟模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。需说明的是，附图仅作为储料棚结构及形状的大致参考，为了清楚显示附图各部分，对于图中结构做了适当调整，图中各组成部分的数量，尺寸参数及比例关系均应以各实施例中描述为准。
随着复合材料的发展创新，目前已有多种适合构件大跨度储料棚的复合材料，复合材料以玻璃纤维、碳纤维等与树脂材料复合在一起，通过缠绕、模压、拉挤等方式成型。其中，一种新型复合材料-蜂窝复合板材的使用，中间无支撑柱储料棚的跨度可以建造得越来越大。
上述蜂窝复合板材由两侧的面板中间的蜂窝层及粘结蜂窝层和面板的粘合层构成，其具有优良的性能。主要体现为密度小，高强度，具有阻燃性和保温效果，并且造价低，具有成本优势。
本发明即基于蜂窝复合板材，构造大跨度储料棚，选用的蜂窝复合板材为云逸工程技术集团生产的连续纤维蜂窝复合板材。
以一具体实施例说明对本发明复合材料模块化储料棚做示范性描述。
如图1所示，复合材料模块化储料棚包括底座、复合材料储料棚主体。底座具有两列凹形滑道；储料棚主体与底座固接于凹形滑道，所述复合材料储料棚主体的结构用蜂窝结构复合材料来实现，复合材料储料棚主体由三个圆弧相切而成；图1也可作为构成复合材料储料棚主体一个复合板材模块的结构示意图，复合板材模块为弧形结构。多个依次连接的复合材料单元即构成复合板材模块。复合材料单元选用前述的蜂窝复合板材，由制作厂预制，规格统一，方便运输，并能够降低运输成本。选用的蜂窝复合板材，本身弹性模量不小于40GPA，优选50GPA至60GPA，密度不小于40kg/m3，优选45kg/m3至50kg/m3。
如图2所述，蜂窝复合板材包括分4层粘结而成，中间为4层蜂窝材料层103，最外侧为外部蒙皮101，内部布置于两层蜂窝材料层103之间的为中间蒙皮102。中间蒙皮厚度为0.4mm至0.6mm，外部蒙皮101的厚度为1.8mm至2.5mm。中间单层材料的厚度为50mm至80mm。当然本图仅为示例性说明，实际应用中，蜂窝复合板材的厚度，内部材料层数均根据实际需求选取，本申请对此不作限制。
如图3至图5所示，各相邻的复合材料单元100之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元200连接。一对连接板单元200与复合材料单元100之间通过连接结构300连接，连接结构包括两组具有螺纹的连接件301；相邻的两个复合材料单元100的连接端的分别形成一组贯穿的第一连接通孔，第一连接通孔内均嵌设具有内螺纹的预埋件；
一对连接板单元均形成两组与所述第一连接通孔对应的第二连接通孔303；第二连接通孔均嵌设具有内螺纹的预埋件302；
每一第一连接通孔的均对应两个第二连接通孔303，通过至少一连接件303旋合其中嵌设的预埋件302连接。在连接件预置孔内加装带内螺纹预埋件结构，可以加强螺栓紧固，并且降低开孔后容易造成蜂窝复合材料破坏的风险。具体参照图5，相邻的复合材料单元通过图示的结构连接，最终构成整体的复合板材模块，此时，模块整体跨度收到的风载和雪载等外部载荷及自重载荷会转化为蜂窝板材蒙皮内部的拉/压应力和蜂窝剪力；蜂窝板材蒙皮内部的拉/压应力，通过剪切螺栓传递到连接带板，再传递到相邻蜂窝板材上；蜂窝板材内部的蜂窝剪力通过和连接带板的接触传递到连接带板内部的蜂窝。使内部应力分布均匀，能够提高储料棚整体的强度和抗载荷能力。
具体而言，单个复合材料单元的宽度为1.8m至2.5m，长度为6m至12.5m，厚度为0.2m至0.35m。连接板单元与复合材料单元同长，宽度为1m至1.4m，厚度为0.06m至0.09m。
连接件为强度等级高于8.8级的高强螺栓，规格为M24至M42。
每组第一连接通孔呈两排均布，空间分布距离为0.4m至0.75m。
第一连接通孔中的预埋件的一侧及与其对应的一第二连接通孔与一外侧连接件旋合；第一连接通孔中的预埋件的一侧及与其对应的另一第二连接通孔与一内侧连接件旋合。采用两个连接件分别连接两侧，优于有一根连接件贯穿连接所有的预埋件，理由在于，各复合材料单元构成为复合板材模块后，复合板材模块本身就形成弧形，并且在棚体组装为一体后，受外载和自重载荷影响，必然产生形变，如采用一根连接件贯穿连接所有预埋件，必然导致该形变产生的应力集中在连接件的中段，导致连接件出现变形、断裂的可能出现。
上述实施例中复合材料模块化储料棚的建造方法，包括以下步骤：
建造两侧的基础，在所述基础上部固设两列凹形滑道，形成底座；首先完成底座土建开挖和混凝土浇注，形成混凝土基础，在基础土建的同时，预埋建造凹形滑道，该凹形滑道为钢结构材质，中间形成有滑槽，滑槽宽度与复合材料单元的厚度相当，一般稍大一些，复合材料单元插入凹形滑道的滑槽内后，双边形成1mm至3.5mm间隙；滑槽的槽壁上形成有连接通孔，用以与插入滑槽内的复合材料单元的一端通过连接件固接。
在水平地面上通过依次连接多个复合材料单元制作跨度与两侧的基础之间距离一致的复合板材模块；各相邻的复合材料单元之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元连接；将该复合板材模块的两端移至两列凹形滑道上方；通过顶升或吊装方式使复合板材模块呈竖直状态，两端分别放入两列凹形滑道内；如此即可实现模块化装配的初衷：根据设计需要，现场采用螺栓连接棚体相应部位的预制复合材料单元，构成复合板材模块；通过地面气囊顶升装置，将连接在一起的蜂窝复核材料板逐渐顶起来，通过高精度金属螺栓进行锁紧，气囊顶升装置内部压力要求大于1/30个大气压。
通过滑动方式将复合板材模块沿凹形滑道移动至凹形滑道的一端，并与凹形滑道固定；滑动的驱动方式可使用液压推进方式推进。
按照前述方法制作多个复合板材模块，并沿凹形滑道依次通过多对连接板单元连接，同时与凹形滑道固定。
结构强度分析：
储料棚模块的强度和刚度分析：按以上方式建造的复合材料模块化储料棚，建立跨度为240m储料棚模型，单个复合材料单元的宽度为2.4m，长度为12m，厚度为0.3m。连接板单元与复合材料单元同长，宽度为1.2m，厚度为0.08m。第一连接通孔呈两排均布，空间分布距离为0.5m。整体模型由边长4m的有限元细化，两端同时约束水平位移和内外的转动。对其受力和变形数值模拟：
1.自重载荷：如图6所示，棚体表面自重应力为12.2Mpa，远远小于520Mpa的许用载荷；中心自重下垂1.6m，倾斜度为1.7％；
2.积雪和冰载：如图7所示，在顶部施加0.45kN/㎡的载荷，棚体表面最大应力为43Mpa，远远小于520Mpa的许用载荷；中心最大变形2.8m，倾斜度为3.0％；
3.向下和侧向风载：如图8所示，施加向下和侧向载荷1.29kN/㎡，中心弧度最大应力为132Mpa，远远小于520Mpa的许用载荷；
4.向上和侧向风载：如图9所述，施加向上和侧向载荷1.29kN/㎡，由于自重抵消一部分载荷，中心弧度最大应力为118MPa，远远小于520Mpa的许用载荷。
连接结构强度校核，参考图5的受力分析对最大应力处进行分析计算后获悉，采用规格为M28、强度等级8.8的高强度金属螺栓即可满足强度要求。由于此处受力分析计算为基础的结构力学运算，只要具有机械领域基础知识的本领域技术人员结合图5的受力分析图及上面获得数据即可得到计算结果，在此不再进行繁杂而重复的赘述。
目前，国内绝少有跨度超过240m的储料棚，根据工程实际，采用同样的材料和结构，跨度越小，则储料棚整体的刚度和强度会相应地提高，因此不再另行举例对更小跨度的储料棚结构进行分析说明。当然，跨度减小的情况下，可根据实际工况进行计算，减小复合材料单元的厚度，具体的分析过程不再赘述。而复合材料单元的幅面则根据运输条件和成本确定，一般公路运输的话，宽度不能超过3.2m，长度不能超过12.5m，如果采用航运或者火车运输，则不受此限制，在实际应用中，可根据条件确定。
经济成本分析：
以建造一类半圆柱面形储料棚为例，参考图1，其规格为：跨度L为180m、高度H为50m、长度480m。
用整体钢结构方式，需耗用钢材约7500吨，材料成本约10200万元，建造工时4个月左右，用工50人，再加上其它辅助成本，如吊装费，运输费等，共建造费用超过12000万元。
②采用背景技术中充气式建造办法，需要进口薄膜成本即达16000万元，填充材料费用需2200万元，建造工时约45天，用工50人，再加上其它辅助成本，如吊装费，运输费等，共建造费用至少19000万元。
③采用本发明的技术方案，需用蜂窝复合板材约90000㎡，材料费用约7500万元，建造工时约1个月，用工50人，再加上其它辅助成本，如连接结构制作安装费、吊装费，运输费等，共建造费用为9000万元。
由此可见，由上述可知，采用本发明的储料棚，不仅可以缩短建造周期，且可大幅降低建造成本。并且，无论是采用钢结构还是背景技术中的充气式建造方法，如果遇到露天煤场改造的工况，在储料棚的建造过程中，煤场都必须停运，有的还需要暂时迁移，不仅产生额外成本，而且会进一步加长工期。本发明则可避免该问题，可在不影响煤场运行的前提下完成施工。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种复合材料模块化储料棚，其特征在于，包括：
一底座，具有两列凹形滑道；
与底座固接于所述凹形滑道的储料棚主体，包括多个依次连接的复合板材模块，各复合板材模块的两端均与所述底座固接；
所述复合板材模块为弧形结构，其包括多个依次连接的复合材料单元；
各相邻的复合材料单元之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元连接。
2.如权利要求1所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，一对连接板单元与复合材料单元之间通过两组具有螺纹的连接件连接；
相邻的两个复合材料单元的连接端分别形成一组第一连接通孔，所述第一连接通孔内均嵌设具有内螺纹的预埋件；
所述一对连接板单元均形成两组与所述第一连接通孔对应的第二连接通孔；所述第二连接通孔均嵌设具有内螺纹的预埋件；
每一第一连接通孔均对应两个第二连接通孔，通过至少一连接件旋合于其中嵌设的预埋件。
3.如权利要求2所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，所述第一连接通孔中的预埋件的一侧及与其对应的一第二连接通孔与一外侧连接件旋合；所述第一连接通孔中的预埋件的另一侧及与其对应的另一第二连接通孔与一内侧连接件旋合。
4.如权利要求1所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，单个所述复合材料单元的宽度为1.8m至2.5m，长度为6m至12.5m，厚度为0.2m至0.35m。
5.如权利要求4所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，所述连接板单元与复合材料单元等长，宽度为1m至1.4m，厚度为0.06m至0.09m。
6.如权利要求1所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，各单个所述复合材料单元选用蜂窝复合板材，整体弹性模量为50GPA至60GPA，密度为45kg/m3至50kg/m3。
7.如权利要求1所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，所述连接板单元选用蜂窝复合板材，整体弹性模量为55GPA至65GPA，密度为52kg/m3至60kg/m3。
8.如权利要求1所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，所述连接件为强度等级高于8.8级的高强螺栓，规格为M24至M42。
9.如权利要求8所述的复合材料模块化储料棚，其特征在于，每组第一连接通孔呈两排均布，空间分布距离为0.4m至0.75m。
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