砂石系統調節料倉廊道采用加固集裝箱的結構設計和安全性計算論證

李輝

（中國水利水電第八工程局有限公司砂石分局，湖南長沙，410007）

【摘要】本文簡述了砂石系統調節料倉廊道采用加固集裝箱形式的結構設計，對其進行了力學計算分析，驗證了其結構安全性，以利于推廣應用。

【關鍵詞】砂石系統 調節料倉廊道 結構設計 計算論證

1 前言

國內企業承攬國際工程，由于受自然環境、現場工作環境、設備物資采購、人力資源供給等多因素影響，開展水電工程的前期工作困難重重。國際工程中的砂石系統建設，多面臨臨建混凝土施工困難等難題。為替代調節料倉廊道傳統采用的鋼筋混凝土箱型結構物，我們在馬來西亞巴貢和沐若水電站、厄瓜多爾美納斯水電站等工地，嘗試利用鋼制標準集裝箱經適當加固后，作為調節料倉廊道，取得了成功。本文以馬來西亞沐若水電站大壩砂石系統二篩調節料倉廊道為例，對加固集裝箱結構進行了受力計算，驗證了其結構的安全性，以利于推廣應用。

2 結構設計和受力計算

常用集裝箱貨柜有20尺柜、40尺柜和40尺高柜三種，其型號規格為：20尺柜，外尺寸為6.1m×2.44m×2.59m（20ft×8ft×8ft6in），內尺寸為5.69m×2.13m×2.18m，配貨毛重一般17.5t;40尺柜，外尺寸為12.2m×2.44m×2.59m（40ft×8ft×8ft6in），內尺寸為11.8m×2.13m×2.18m，配貨毛重一般22t;40尺高柜，外尺寸為12.2m×2.44m×2.9m（40ft×8ft×9ft6in），內尺寸為11.8m×2.13m×2.72m，配貨毛重一般22t。

鋼制集裝箱用鋼主要是鋼板，還有型鋼和焊管。一個標準20尺集裝箱，鋼材用量為1.4～1.6t。集裝箱制造所用的熱軋卷板，大多為1.6～6mm的熱軋薄板，具有良好的耐腐蝕性和機械性能的各向異性，鋼種主要為耐候鋼。集裝箱板絕大多數執行JIS3125—1987標準；產品尺寸精度高、厚度同板差小、板形優良。同時，集裝箱制造廠家所用原料的規格也基本相同，這為集裝箱二次改造利用的設計和施工提供了有利條件。

結合砂石系統設計中對廊道工作高度、膠帶機布置寬度、放料口布置間距等要求，同時考慮貨源和價格等因素，選用鋼制20尺柜集裝箱進行加固用設計。

考慮受力要求和施工因素，集裝箱內部加固設計選用□150×50×5規格的方鋼，間隔1.2m焊接門字型骨架。方鋼屬于截面對稱型鋼，抗彎和抗扭能力都明顯強于工地常用的角鋼和槽鋼。若因鋼材市場受限，也可采用槽鋼或角鋼這樣的開口件拼接使用，以達到同樣的力學作用效果。

料倉設計，堆料高度7m，堆料角β=38°，物料內摩擦角φ=38°，物料重度γ=16.5kN/m3，其結構見圖1和圖2。

3 荷載計算

廊道頂部鋼板上的荷載分布見圖3。

骨料壓重：

q1=γh1=16.5×5.969=98.489kN/m

q2=γh2=16.5×4.109=67.799kN/m

說明：為簡化計算，集裝箱自身具有一定剛度的構件自重和人荷載不計?？紤]實際堆料點高度和放料點的影響范圍及大小，不作動荷載計算分析。

4 強度計算

廊道頂部結構布置見圖4。

4.1 廊道頂部鋼板厚度驗算（最大受力處鋼板）

（1）長邊中點驗算（不考慮板梁聯合受力）。

根據水工鋼結構相關教材，a、b值取凈寬度，則a=0.55m, b=1.15m,=2.1＜3, α=1.65, κ=0.498

p=93.374kN/m2（板中心壓強）

（2）短邊中點驗算（考慮板梁聯合受力）。

根據水工鋼結構相關教材，a、b值取凈寬度，則a=0.55m, b=1.15m,=2.1＜3, α=1.65, κ=0.343

p=93.374kN/m2（板中心壓強）

4.2 縱向次梁驗算（最大荷載梁）

q=56.0 kN/m

q為次梁兩側中心荷載的疊加（雙向板求得），其荷載分部見圖5。

經計算，次梁彎矩分布見圖6，最大彎矩在次梁的1/2處，M=8.87kN·m。

次梁剪力分布見圖7，次梁端剪力最大，Q=25.2KN。

經驗算滿足要求。

4.3 主梁驗算

按箱梁計算，取1.2m為計算單元。箱梁受力情況如圖8所示。

（1）垂直荷載。

q1=74.7kN/m, q2=66.52kN/m

q3=58.33kN/m, p1=56.48kN

p2=49.94kN, p3=29.89kN

p4=23.33kN

集裝箱自身有一定剛度，自重荷載不計。

（2）水平荷載。

（3）AB桿驗算。

由于箱梁拐角均焊有300mm×300mm厚10mm的筋板，故拐角處彎曲截面系數W較大，集裝箱拐角處又設有鋼梁，故不對拐角處進行驗算，只對梁中的最大彎矩處進行驗算。

AB梁直接焊至頂板上，故主梁兩側一部分面板可以兼做AB梁的翼緣納入抗彎的計算中。

翼緣的寬度：

B=bl+2C（Q235鋼材：C取30δ, δ為板厚，bl為梁的翼緣）或B=ξ1 b（b為次梁至兩側梁之半，查表得ξ1=0.58）取計算較小值。

B=bl+2C=50+2×30×7=470mm，或B=ξ1 b=0.58×1200=696mm

所以取板寬B=470mm納入次梁的彎矩計算，AB梁有效計算截面見圖9。

計算中性軸中心位置：

（4）AC梁驗算。

AC梁直接焊至側板上，故其兩側一部分面板可以兼做AC梁的翼緣納入抗彎的計算中。

翼緣的寬度：B=bl+2C（Q235鋼材：C取30δ, δ為板厚，bl為梁的翼緣）或B=ξ1b（b為次梁至兩側梁之半，查表得ξ1=0.58）取計算較小值。

B=bl+2C=50+2×30×7=470mm，或B=ξ1 b=0.58×1200=696mm

所以取板寬B=470mm納入次梁的彎矩計算，計算結果見圖10。

AC梁有效計算截面見圖11。

AC梁幾何特性和AB梁相同，故

此外，考慮其作為受壓構架，留有適當富余，經驗算，可滿足要求。

（5）BD桿驗算。

BD桿和AC桿類似，且其上的荷載小于AC桿，故BD桿滿足要求。

（6）CD桿驗算。

20尺柜柜內可載重17.5t，并可吊裝轉運，因此，集裝箱底部有很強的抗彎能力，在此不進行驗算。

5 結論和安裝使用注意事項

馬來西亞沐若水電站大壩砂石系統二篩調節料倉廊道采用的加固集裝箱結構，經計算能滿足受力要求，在最大堆料處不會破壞。

通過幾個工地的經驗總結，調節料倉廊道采用加固集裝箱結構時，在制作和安裝使用過程中需要注意以下3點：

（1）因實踐中多選用到貨舊集裝箱，需對集裝箱做仔細全面的檢查，確認集裝箱屬按生產標準選材用材，且集裝箱的鋼材銹蝕程度符合要求。否則設計計算中應考慮鋼材銹蝕造成的力學性能下降以及由此帶來的安全性。

（2）土建施工時，為防止集裝箱底部基礎出現沉降，需對底板進行硬化，防止天然基礎出現沉降導致集裝箱變形和受力改變而破壞。

（3）在集裝箱上按照設計要求尺寸切割受料口時，應盡量減小對頂板格梁和鋼板整體性的破壞，并結合給料機安裝，對受料口處進行針對性的加固。

【作者簡介】

李輝（1974— ），男，畢業于中南大學，高級工程師，主要從事水利水電砂石料加工系統的設計及運行管理工作。