CN107419944A - 一种球形储料仓及其建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种球形储料仓，包括：一球仓基础底座；固设于所述球仓基础底座之上的一球仓主体；所述球仓主体从内到位依次包括一加强层、一隔热层及一复合材料层；其中，所述复合材料层包括从下至上渐缩的多个环形单元及一圆形顶部；各环形单元均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一对连接板单元连接；圆形顶部与其相邻的环形单元之间通过一对环形连接板单元连接。使用蜂窝复合材料制成的板材作为球形储料仓的建造材料，代替膜材料，能达到设计、结构和强度的要求，无需钢筋加固。并且通过模块化施工方式，能够快速建造出各种规格的球形储料仓。同时提供上述球形储料仓的建造方法。

Description

一种球形储料仓及其建造方法

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，具体涉及一种球形储料仓及其建造方法。

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，据不完全统计，由此带来全国3000个以上工业料场需要封闭，市场需求巨大。

并且近年来，随着经济的发展，资源的日益紧缺，国家对资源、环保、成本等方面提出了更高的要求。为了响应国家政策，充分利用资金，在占地条件有限的场地下，建设体积大、形状美的建筑结构，且施工过程中环保绿色，减少施工成本的投入；急需一种新型的结构形式来完成此项工作。球形仓是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度的空间结构，具有较好的抗震性能和结构力学性能。它改变了传统的施工工艺，并且该结构具有受力特性及耐久性好，封闭效果好，占地面积小、外观美观、施工工期短、储仓空间大、装填系数高、具有良好的抗震性和抗飓风等自然灾害的能力等特点，属新工艺、新技术，可广泛应用于电力、煤炭、水泥、化工原料、粮食等行业。

当前所使用的球形储料仓，是一种气膜薄壳钢筋混凝土结构，其建造过程为：先用浇注的钢筋混凝土将球仓牢固地固定到基础上，将建造中所需一切材料置于球膜之下，球膜通过强力风机充气以达到所需内部压力，气闸入口使球膜可以自由进入，将聚氨酯泡沫喷射到球膜内表面，直到其达到所需厚度(通常为5cm)；泡沫硬化后在最终结构上生成一层隔热层；水平与纵向交叉铺设强化钢筋并牢固固定，铺设间距适当；适量喷涂高强度喷射混凝土，根据每个球仓的设计和用途不同设计不同的厚度；在最终完工前，根据预先设计图纸找好开口位置并完成开口。

然而，上述现有技术存在有一些缺点：

1)为了满足球形储料仓设计要求，建造所采用的膜材料需从国外进口；其造价高昂，并且需整体运输，建造过程中再整体展开，施工难度较大，不符合目前我所倡导的“模块化”、“积木化”的施工建造理念。

2)为了满足结构和强度的要求，建造过程中需钢筋进行加固。由此而加大了钢材的使用量，除了增加成本外，还增加结构自重载荷。并且建筑钢材一般只做简单防腐处理，如喷漆处理，难以长时间抵御锈蚀等。且钢结构会产生热膨胀，在使用时需要根据具体应用环境做较复杂的计算，保留余量，以确保结构的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种球形储料仓及其建造方法，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球形储料仓的建造材料，代替膜材料，能达到设计、结构和强度的要求，无需钢筋加固。并且通过模块化施工方式，能够快速建造出各种规格的球形储料仓。

为达上述目的，本发明采用的具体技术方案是：

一种球形储料仓，包括：

一球仓基础底座；

固设于所述球仓基础底座之上的一球仓主体；

所述球仓主体从内到位依次包括一加强层、一隔热层及一复合材料层；

其中，所述复合材料层包括从下至上渐缩的多个环形单元及一圆形顶部；

各环形单元均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一对连接板单元连接；圆形顶部与其相邻的环形单元之间通过一对环形连接板单元连接。

进一步地，各环形单元中包含的复合材料单元形状、尺寸均一致。

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，所述复合材料单元及圆形顶部均选用蜂窝复合板材，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。

上述球形储料仓的建造方法，包括如下步骤：

1)建造球仓基础底部；

2)将多个复合材料单元在球仓基础底部上环向拼接为环形；得到最下方的环形单元；

3)在最下方的环形单元上依次向上参照步骤2)进行环向拼接；

4)直至拼接完成最上方环形单元；该环形单元上方形成一开口，通过圆形顶部封闭该开口，得到复合材料层；

5)将泡沫材料喷射到复合材料层内表面，固化后形成隔热层；

6)在隔热层内表面喷涂高强度喷射混凝土，固化后形成加强层。

隔热层及加强层的厚度，亦均可参照现有气膜薄壳钢筋混凝土结构的球仓的建造标准，根据设计和用途不同设定不同的厚度。

通过采取上述技术方案，复合材料替代膜材料，不仅能够降低材料成本，且由于采用的复合材料自重轻，仓体荷载小，本发明能够实现超轻高强度建筑结构的球形储料仓，无需钢筋加固。采用模块化设计和建造，可以根据需要，在工厂预制多组规格、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。最后，蜂窝复合材料还具有良好的阻燃、耐腐蚀、耐火性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中球形储料仓的主体结构爆炸示意图。

图2为本发明一实施例中球形储料仓的主体剖面结构示意图。

图3为本发明一实施例中球形储料仓的部分结构放大剖面示意图。

图4为本发明一实施例中球形储料仓的一复合材料单元的截面构成示意图。

图5为本发明一实施例中球形储料仓的一复合材料单元的连接结构立体示意图。

图6为本发明一实施例中球形储料仓的一复合材料单元的连接结构截面示意图。

图7为本发明一实施例中球形储料仓的一复合材料单元的连接结构受力分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

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仓的复合材料，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，中间无支撑柱储料仓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，构造大跨度储料仓，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的球形储料仓做示范性描述。

如图1至图3所示，在一实施例中，提供一种球形储料仓，包括：球仓基础底座；固设于球仓基础底座之上的球仓主体；球仓主体从内到位依次包括加强层300、隔热层200及复合材料层100；

其中，复合材料层100包括从下至上渐缩的多个环形单元及一圆形顶部；

各环形单元均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一对连接板单元连接；圆形顶部与其相邻的环形单元之间通过一对环形连接板单元连接。结合图1，本实施例中，各环形单元中包含的复合材料单元形状、尺寸均一致。这样有利于材料的预制和现场的施工，符合模块化涉及理念。当然，在一些特殊的实施例中，复合材料单元的形状和尺寸也可做适当调整，使大部分保持一致性即可，一小部分根据需要进行独立设计，以应对不同的需求。

如图4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5至图7所示，各相邻的复合材料单元110之间均通过设置于其上面及下面的一对连接板单元120连接。一对连接板单元120与复合材料单元110之间通过连接结构130连接，连接结构包括两组具有螺纹的连接件1301；相邻的两个复合材料单元110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1303；第二连接通孔均嵌设具有内螺纹的预埋件1302；

每一第一连接通孔的均对应两个第二连接通孔1303，通过至少一连接件1303旋合其中嵌设的预埋件1302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7，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，能够提高储料仓整体的强度和抗载荷能力。

具体而言，球仓主体部分采用蜂窝复合材料板材来实现，构成环形单元的板材设计的形状为梯形或矩形。板材的幅面根据施工和运输条件确定，一般来讲如果采用公路运输，板材的最长边不超过12.5m，宽度不超过2.8m；如果采用航运则不受此限，仅根据施工现场的吊装条件设定幅面即可。球仓基础底座为混凝土结构，具有环形的混凝土基础部分，基础部分形成有钢结构的环形凹槽，并且预留连接孔，位于最下方的环形单元即可在该环形凹槽中完成拼接制作，制作的同时最下方的环形单元中的各复合材料单元与环形凹槽通过预留的连接孔把合固定。球仓主体的球直径可达50m至250m。

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，并且在仓体组装为一体后，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。

上述球形储料仓的建造方法，包括如下步骤：

1)建造球仓基础底部；

2)将多个复合材料单元在球仓基础底部上环向拼接为环形；得到最下方的环形单元；

3)在最下方的环形单元上依次向上参照步骤2)进行环向拼接；

4)直至拼接完成最上方环形单元；该环形单元上方形成一开口，通过圆形顶部封闭该开口，得到复合材料层；

5)将泡沫材料喷射到复合材料层内表面，固化后形成隔热层；

6)在隔热层内表面喷涂高强度喷射混凝土，固化后形成加强层。

关于球仓的开口，可在最终完工前，根据预先设计找好开口位置并完成开口。也可以在最下方的环形单元中的一块复合材料单元中预留开口。

隔热层及加强层的厚度，亦均可参照现有气膜薄壳钢筋混凝土结构的球仓的建造标准，根据设计和用途不同设定不同的厚度。隔热层采用的泡沫材料可选用例如聚氨酯泡沫材料，也可以选择其他符合要求的材料。球仓基础底座的建造直接参照现有气膜薄壳钢筋混凝土结构球仓的基础即可，在此不再赘述。

结构强度校核模拟实验：

分别依照上述实施例制作地面投影的直径跨度为250m的球形储料仓。选用蜂窝复合材料单元的厚度为0.3m。连接板单元的厚度为0.08m。第一连接通孔呈两排均布，空间分布距离为0.5m。隔热层所采用的聚氨酯塑料泡沫的密度为100kg/m³，弹性模量为700MPa，抗压强度为5-10MPa。

对所形成的球仓主体结构，进行了有限元结构分析，用来测试整体结构对外界受力下的稳定性。整体结构除了自身重量的工况条件外，还应该考虑在各自风载，雪载，活荷载以及地震力条件下的稳定性分析。同时还应考虑不同荷载组合下的负载情况。就风载而言，计算的基本风压采用0.5KN/m²(相当于北京100年一遇的风压)。雪载是采用0.4KN/m²，(相当于北京50年一遇的雪压)。活荷载采用0.3KN/m²的基本值。而地震力是以北京为例，选取了地震2组，地震影响选择了多遇地震，地震设防烈度采用了0.1g。由于薄壳半球形罩是采用低密度，高强度的塑料泡沫构建成，自身的重量轻，因此地震力不起控制作用。而风载，雪载及其与自重的组合起了主要控制作用。风载与雪载一般是不会考虑一起联合作用在薄壳半球形罩上，而风载作为最可能的长年作用力，将考虑为最不利的工况条件。有限元稳定性分析是采用Midas Gen软件(Ver.8.0)，计算模型的分析网络分隔点是采用2×2m节点。最不利的工况条件是采用自重+活荷载+风荷载的组合工况为最不利的条件。应力在薄壳半球形罩的底部达到最大值，大约0.67MPa，而位移在薄壳半球形罩的顶部达到最大值，大约68mm。这两个数值都远远小于材料的抗压强度，以及在该跨度下的位移要求(1/300-1/400的跨度)。

连接结构强度校核，参考图7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M36、强度等级10.9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7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250m的球形储料仓，根据工程实际，采用同样的材料和结构，跨度越小，则储料仓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仓结构进行分析说明。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。

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)

1.一种球形储料仓，其特征在于，包括：

一球仓基础底座；

固设于所述球仓基础底座之上的一球仓主体；

所述球仓主体从内到位依次包括一加强层、一隔热层及一复合材料层；

其中，所述复合材料层包括从下至上渐缩的多个环形单元及一圆形顶部；

各环形单元均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一对连接板单元连接；圆形顶部与其相邻的环形单元之间通过一对环形连接板单元连接。

2.如权利要求1所述的球形储料仓，其特征在于，各环形单元中包含的复合材料单元形状、尺寸均一致。

3.如权利要求1所述的球形储料仓，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。

4.如权利要求3所述的球形储料仓，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。

5.如权利要求3所述的球形储料仓，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。

6.如权利要求3所述的球形储料仓，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。

7.如权利要求1所述的球形储料仓，其特征在于，所述复合材料单元及圆形顶部均选用蜂窝复合板材，整体弹性模量为50GPA至60GPA，密度为45kg/m³至50kg/m³。

8.如权利要求1所述的球形储料仓，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。

9.一种球形储料仓的建造方法，包括如下步骤：

1)建造球仓基础底部；

2)将多个复合材料单元在球仓基础底部上环向拼接为环形；得到最下方的环形单元；

3)在最下方的环形单元上依次向上参照步骤2)进行环向拼接；

4)直至拼接完成最上方环形单元；该环形单元上方形成一开口，通过圆形顶部封闭该开口，得到复合材料层；

5)将泡沫材料喷射到复合材料层内表面，固化后形成隔热层；

6)在隔热层内表面喷涂高强度喷射混凝土，固化后形成加强层。