砂石系统调节料仓廊道采用加固集装箱的结构设计和安全性计算论证
（中国水利水电第八工程局有限公司砂石分局，湖南长沙，410007）
【摘要】本文简述了砂石系统调节料仓廊道采用加固集装箱形式的结构设计，对其进行了力学计算分析，验证了其结构安全性，以利于推广应用。
【关键词】砂石系统 调节料仓廊道 结构设计 计算论证
1 前言
国内企业承揽国际工程，由于受自然环境、现场工作环境、设备物资采购、人力资源供给等多因素影响，开展水电工程的前期工作困难重重。国际工程中的砂石系统建设，多面临临建混凝土施工困难等难题。为替代调节料仓廊道传统采用的钢筋混凝土箱型结构物，我们在马来西亚巴贡和沐若水电站、厄瓜多尔美纳斯水电站等工地，尝试利用钢制标准集装箱经适当加固后，作为调节料仓廊道，取得了成功。本文以马来西亚沐若水电站大坝砂石系统二筛调节料仓廊道为例，对加固集装箱结构进行了受力计算，验证了其结构的安全性，以利于推广应用。
2 结构设计和受力计算
常用集装箱货柜有20尺柜、40尺柜和40尺高柜三种，其型号规格为：20尺柜，外尺寸为6.1m×2.44m×2.59m（20ft×8ft×8ft6in），内尺寸为5.69m×2.13m×2.18m，配货毛重一般17.5t;40尺柜，外尺寸为12.2m×2.44m×2.59m（40ft×8ft×8ft6in），内尺寸为11.8m×2.13m×2.18m，配货毛重一般22t;40尺高柜，外尺寸为12.2m×2.44m×2.9m（40ft×8ft×9ft6in），内尺寸为11.8m×2.13m×2.72m，配货毛重一般22t。
钢制集装箱用钢主要是钢板，还有型钢和焊管。一个标准20尺集装箱，钢材用量为1.4～1.6t。集装箱制造所用的热轧卷板，大多为1.6～6mm的热轧薄板，具有良好的耐腐蚀性和机械性能的各向异性，钢种主要为耐候钢。集装箱板绝大多数执行JIS3125—1987标准；产品尺寸精度高、厚度同板差小、板形优良。同时，集装箱制造厂家所用原料的规格也基本相同，这为集装箱二次改造利用的设计和施工提供了有利条件。
结合砂石系统设计中对廊道工作高度、胶带机布置宽度、放料口布置间距等要求，同时考虑货源和价格等因素，选用钢制20尺柜集装箱进行加固用设计。
考虑受力要求和施工因素，集装箱内部加固设计选用□150×50×5规格的方钢，间隔1.2m焊接门字型骨架。方钢属于截面对称型钢，抗弯和抗扭能力都明显强于工地常用的角钢和槽钢。若因钢材市场受限，也可采用槽钢或角钢这样的开口件拼接使用，以达到同样的力学作用效果。
料仓设计，堆料高度7m，堆料角β=38°，物料内摩擦角φ=38°，物料重度γ=16.5kN/m3，其结构见图1和图2。
图1 达到堆料高度时的最大荷载断面
图2 廊道内部加固断面
3 荷载计算
廊道顶部钢板上的荷载分布见图3。
图3 荷载分布
骨料压重：
q1=γh1=16.5×5.969=98.489kN/m
q2=γh2=16.5×4.109=67.799kN/m
说明：为简化计算，集装箱自身具有一定刚度的构件自重和人荷载不计。考虑实际堆料点高度和放料点的影响范围及大小，不作动荷载计算分析。
4 强度计算
廊道顶部结构布置见图4。
图4 结构布置
4.1 廊道顶部钢板厚度验算（最大受力处钢板）
（1）长边中点验算（不考虑板梁联合受力）。
根据水工钢结构相关教材，a、b值取净宽度，则a=0.55m, b=1.15m,
=2.1＜3, α=1.65, κ=0.498
p=93.374kN/m2（板中心压强）
（2）短边中点验算（考虑板梁联合受力）。
根据水工钢结构相关教材，a、b值取净宽度，则a=0.55m, b=1.15m,
=2.1＜3, α=1.65, κ=0.343
p=93.374kN/m2（板中心压强）
4.2 纵向次梁验算（最大荷载梁）
q=56.0 kN/m
q为次梁两侧中心荷载的叠加（双向板求得），其荷载分部见图5。
图5 次梁荷载分布
经计算，次梁弯矩分布见图6，最大弯矩在次梁的1/2处，M=8.87kN·m。
图6 次梁弯矩分布（单位：kN·m）
次梁剪力分布见图7，次梁端剪力最大，Q=25.2KN。
图7 次梁剪力分布（单位：kN·m）
经验算满足要求。
4.3 主梁验算
按箱梁计算，取1.2m为计算单元。箱梁受力情况如图8所示。
图8 荷载分布
（1）垂直荷载。
q1=74.7kN/m, q2=66.52kN/m
q3=58.33kN/m, p1=56.48kN
p2=49.94kN, p3=29.89kN
p4=23.33kN
集装箱自身有一定刚度，自重荷载不计。
（2）水平荷载。
（3）AB杆验算。
由于箱梁拐角均焊有300mm×300mm厚10mm的筋板，故拐角处弯曲截面系数W较大，集装箱拐角处又设有钢梁，故不对拐角处进行验算，只对梁中的最大弯矩处进行验算。
AB梁直接焊至顶板上，故主梁两侧一部分面板可以兼做AB梁的翼缘纳入抗弯的计算中。
翼缘的宽度：
B=bl+2C（Q235钢材：C取30δ, δ为板厚，bl为梁的翼缘）或B=ξ1 b（b为次梁至两侧梁之半，查表得ξ1=0.58）取计算较小值。
B=bl+2C=50+2×30×7=470mm，或B=ξ1 b=0.58×1200=696mm
所以取板宽B=470mm纳入次梁的弯矩计算，AB梁有效计算截面见图9。
图9 AB梁计算截面图
计算中性轴中心位置：
（4）AC梁验算。
AC梁直接焊至侧板上，故其两侧一部分面板可以兼做AC梁的翼缘纳入抗弯的计算中。
翼缘的宽度：B=bl+2C（Q235钢材：C取30δ, δ为板厚，bl为梁的翼缘）或B=ξ1b（b为次梁至两侧梁之半，查表得ξ1=0.58）取计算较小值。
B=bl+2C=50+2×30×7=470mm，或B=ξ1 b=0.58×1200=696mm
所以取板宽B=470mm纳入次梁的弯矩计算，计算结果见图10。
图10 AC梁计算结果
AC梁有效计算截面见图11。
图11 AC梁计算截面图
AC梁几何特性和AB梁相同，故
此外，考虑其作为受压构架，留有适当富余，经验算，可满足要求。
（5）BD杆验算。
BD杆和AC杆类似，且其上的荷载小于AC杆，故BD杆满足要求。
（6）CD杆验算。
20尺柜柜内可载重17.5t，并可吊装转运，因此，集装箱底部有很强的抗弯能力，在此不进行验算。
5 结论和安装使用注意事项
马来西亚沐若水电站大坝砂石系统二筛调节料仓廊道采用的加固集装箱结构，经计算能满足受力要求，在最大堆料处不会破坏。
通过几个工地的经验总结，调节料仓廊道采用加固集装箱结构时，在制作和安装使用过程中需要注意以下3点：
（1）因实践中多选用到货旧集装箱，需对集装箱做仔细全面的检查，确认集装箱属按生产标准选材用材，且集装箱的钢材锈蚀程度符合要求。否则设计计算中应考虑钢材锈蚀造成的力学性能下降以及由此带来的安全性。
（2）土建施工时，为防止集装箱底部基础出现沉降，需对底板进行硬化，防止天然基础出现沉降导致集装箱变形和受力改变而破坏。
（3）在集装箱上按照设计要求尺寸切割受料口时，应尽量减小对顶板格梁和钢板整体性的破坏，并结合给料机安装，对受料口处进行针对性的加固。
【作者简介】
李辉（1974— ），男，毕业于中南大学，高级工程师，主要从事水利水电砂石料加工系统的设计及运行管理工作。