筒承式筒倉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

中國能源建設(shè)集團(tuán) 李樹蔚 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 趙文

1 工程背景

沈陽金山熱電2×200兆瓦“以大代小”供熱工程位于沈陽市蘇家屯區(qū)渾河南岸。該期建設(shè)規(guī)模2×200兆瓦超高壓凝汽式機(jī)組配2×745噸/小時超高壓再熱循環(huán)流化床鍋爐。輸煤系統(tǒng)設(shè)置萬噸筒倉5個，直徑22米，高39.730米。

根據(jù)筒倉規(guī)范該簡倉確定為深倉。煤質(zhì)為褐煤，容重按10千牛/立方米?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.10克，抗震構(gòu)造措施按7度設(shè)防，設(shè)計地震分組第一組，抗震等級為二級。結(jié)構(gòu)安全等級為二級；耐火等級為二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，設(shè)計使用年限為50年?；A(chǔ)持力層為中砂，筒倉倉壁采用鋼筋混凝土澆筑。結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

設(shè)計依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002、《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》GB50077-2003、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001(2006版)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002和《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》1999等規(guī)范，采用PKPM2008-SILO筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行有限元建模計算。筒倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗裂、裂縫寬度及受彎構(gòu)件的撓度驗算。大直徑圓形筒倉倉壁厚度應(yīng)按抗裂計算確定，配筋由裂縫控制。

1.1 各方式計算結(jié)果對比分析

1.1.1 筒倉的基底彎矩計算

通過測量筒倉試驗?zāi)Ｐ偷撞康沫h(huán)向應(yīng)變和豎向應(yīng)變，結(jié)合模型的彈性模量和泊松比，可以計算出模型的基底彎矩；數(shù)值模型中是通過提取筒倉基底的每一節(jié)點沿軸方向的節(jié)點力分量，乘以此節(jié)點與筒倉基底的形心形成的矢量的X軸分量，再將所有節(jié)點結(jié)果求和而得到基底彎矩的數(shù)值模擬值。

圖1 簡倉截面

1.1.2 規(guī)范中水平地震作用的計算

我國有關(guān)筒倉的現(xiàn)行規(guī)范一共有3部，它們分別是《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》（GB50077-2003）、《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》（GB50322-2011）和《鋼筒倉技術(shù)規(guī)范》（GB50884-2013），它們對于計算筒倉水平地震作用的規(guī)定是一致的，均規(guī)定：計算筒倉水平地震作用及其自振周期時，應(yīng)取貯料總質(zhì)量的80%作為貯料有效質(zhì)量的代表值，重心應(yīng)取其貯料總重的重心。對于筒倉的基底剪力和基底彎矩可按式(1)和式(2)計算。

式中，F(xiàn)Ek為筒倉底部的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值，α1為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)，Gsk為筒倉自重的重力荷載代表值，Gmk為貯料總重的重力荷載代表值，MEk為筒倉底部的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，hs為筒倉自重的重心高度，hm為貯料總重的重心高度。

對于落地式筒倉，水平地震影響系數(shù)可按最大水平地震影響系數(shù)取，即：

1.1.3 計算結(jié)果對比分析

本文采用模型試驗、數(shù)值模擬和規(guī)范計算得出Ⅱ類場地7度設(shè)防的不同裝料量下的筒倉基地彎矩值進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果見下表1。

由表可知，規(guī)范給出的計算公式過于保守，會造成較大的材料浪費(fèi)。為此對原設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

表1 筒倉基底彎矩值對比

2 筒倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容

2.1 筒倉結(jié)構(gòu)的選擇

筒倉結(jié)構(gòu)的選擇與筒倉的容量、截面形狀等因素有關(guān)。筒倉的容量大，筒壁承受的荷載也大，二者成線性關(guān)系。但當(dāng)倉容相同時，筒倉的截面形狀又對筒壁的應(yīng)力大小起著重要影響，因此，選擇筒倉結(jié)構(gòu)時，還應(yīng)考慮容量與截面形狀。火力發(fā)電廠輸煤筒倉通常為高架式貯倉其倉體結(jié)構(gòu)常為圓形、半地下式貯倉。一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。建在地震區(qū)的高架式貯礦倉應(yīng)優(yōu)先采用倉壁落地支承或倉壁與內(nèi)柱共同支承的結(jié)構(gòu)形式。各工程在確定筒倉結(jié)構(gòu)形式時，應(yīng)視使用要求、地區(qū)條件、總圖布置、投資費(fèi)用、貯量及貯料性質(zhì)等因素，綜合而定。

如圖2所示，在滿足隱意產(chǎn)生的諸條件的前提下，話語表達(dá)的所言先以語義確定得以解碼，傳遞給聽話者并匹配其交際期待。然后，聽話者通過補(bǔ)足、擴(kuò)展或轉(zhuǎn)移，進(jìn)行進(jìn)一步的語用加工，在認(rèn)知語境和具體語境的作用下獲得隱意。在此過程中，在合作原則指導(dǎo)下，聽話者相信說話者有誠意通過話語表達(dá)某種意圖，且聽話者知道說話者相信聽話者有能力根據(jù)語境推導(dǎo)出話語的隱含意義。聽話者依據(jù)關(guān)聯(lián)認(rèn)知原則，對話語可能表達(dá)的隱意進(jìn)行推理加工，直至找到最佳關(guān)聯(lián)。如果隱意滿足不了聽話者的交際期待，他將繼續(xù)通過語用推理獲得含意，最終完成交際過程。

根據(jù)物料對壁作用力的不同，筒倉可分淺倉和深倉二大類。貯料計算高度與圓形倉內(nèi)徑或矩形倉短邊之比不小于1.5的貯礦倉為深倉，小于1.5時稱淺倉。由于貯料與倉壁之間的摩擦作用會減小貯料倉壁及倉底的壓力，因此在計算貯料對倉壁的壓力時，應(yīng)按深倉或淺倉分別計算。

深倉應(yīng)考慮上述摩擦作用，淺倉則可忽略。但當(dāng)圓形貯礦倉的深度不小于15米，直徑不小于12米時，應(yīng)同時按淺倉及深倉計算，取兩者中的大值。計算中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、屋面及樓地面活荷載、設(shè)備荷載、貯料荷載和風(fēng)荷載等作用的不利組合。在地震區(qū)，尚應(yīng)考慮地震作用的影響。當(dāng)裝料設(shè)備容量較大，一次裝料容積占貯礦倉總?cè)莘e的比例較大時，應(yīng)考慮貯料對倉壁的沖擊作用。

具有大面積堆料的地面式、地下或半地下式貯礦倉，應(yīng)驗算由于大面積堆料而引起的基礎(chǔ)附加沉降和地基的穩(wěn)定性。根據(jù)使用條件對筒倉進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和裂縫寬度驗算，并使其滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。對于整體相連的群倉應(yīng)考慮空倉與滿倉的不利組合。對于較大的貯倉還應(yīng)進(jìn)行溫度作用計算。

2.2 基礎(chǔ)優(yōu)化

筒倉為筒承式鋼筋混凝土筒倉，原設(shè)計基礎(chǔ)底板為方形，基礎(chǔ)底板厚2.5米，基礎(chǔ)埋深-5.77米。優(yōu)化后將基礎(chǔ)底板改為圓形，基礎(chǔ)底板厚度優(yōu)化成2.3米，厚度減少200毫米；基礎(chǔ)埋深提升為-5.77米，埋深深度減少200毫米。

2.3 倉頂厚度優(yōu)化

倉頂結(jié)構(gòu)過厚不但造成材料浪費(fèi)，而且過大的倉頂質(zhì)量會提高筒倉結(jié)構(gòu)的質(zhì)心，增大筒倉剛度，提高筒倉自振頻率，加劇水平地震作用下倉頂位移，不利于筒倉結(jié)構(gòu)的安全。為此對倉頂結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化，由2.0米減為0.8米。并筒倉倉頂設(shè)計成倒錐殼結(jié)構(gòu)，采用SILO單獨計算倉頂配筋，減小倉壁計算高度，減小倉壁配筋量及混凝土用量。

2.4 倉體配筋優(yōu)化

筒倉直徑22米，高39.730米，根據(jù)筒倉規(guī)范擬建工程確定為深倉。貯料為褐煤，容重按10千牛/立方米。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.10克，抗震構(gòu)造措施按7度設(shè)防，設(shè)計地震分組第一組，抗震等級為二級；結(jié)構(gòu)安全等級為二級；耐火等級為二級；筒倉地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，設(shè)計使用年限為50年。基礎(chǔ)持力層為中砂，筒倉倉壁采用鋼筋混凝土澆筑。采用PKPM2008-SILO筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行有限元建模，筒倉壁厚為400毫米，混凝土采用C40，受力鋼筋保護(hù)層為30毫米，鋼筋采用HRB335。計算簡圖如圖2所示。

圖2 模型計算簡圖

筒倉結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載能力計算。當(dāng)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)使用要求控制筒倉的整體變形。筒倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗裂、裂縫寬度及受彎構(gòu)件的撓度驗算。由計算結(jié)果可見，大直徑圓形筒倉倉壁厚度應(yīng)按抗裂計算確定。配筋由裂縫控制。根據(jù)筒倉規(guī)范本文筒倉結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時其最大裂縫寬度允許值為0.2毫米。

內(nèi)襯設(shè)計時倉壁和倉底受貯料沖磨輕微的部位，可將受力鋼筋的混凝土保護(hù)層加厚20毫米兼做內(nèi)襯（內(nèi)加Ф4b@100鉛絲網(wǎng)），倉壁或倉底受貯料沖磨嚴(yán)重或直接受沖磨得部位應(yīng)選用抗沖磨性能好的材料作內(nèi)襯，卸料口處的內(nèi)襯應(yīng)考慮易于更換，不應(yīng)使用耐熱性差、易燃且易脫落的聚酯材料作為內(nèi)襯。建議下環(huán)梁上返2米以下范圍內(nèi)襯鑄石板或微晶板。通過調(diào)試計算，筒壁環(huán)形鋼筋間距由125毫米優(yōu)化成135毫米，使鋼筋用量大為削減。

2.5 構(gòu)造措施優(yōu)化

3 筒倉優(yōu)化成果

3.1 主要優(yōu)化成果

（1）基礎(chǔ)埋深由-5.77米優(yōu)化成-5.57米，基礎(chǔ)埋深深度減少200毫米；

（2）倉頂厚度有2.0米降低為0.8米；

（3）基礎(chǔ)底板由方形變?yōu)閳A形，基礎(chǔ)底板厚度由2.5米優(yōu)化成2.3米，厚度減少200毫米；

（4）筒壁環(huán)形鋼筋間距由125毫米優(yōu)化成135毫米；

（5）筒壁外側(cè)保溫層取消。

3.2 優(yōu)化前后工程量對比

表2 優(yōu)化前后工程量對比

原工程單個筒倉造價5000多萬元，通過優(yōu)化設(shè)計，每個筒倉造價可降低1000萬元左右，整個工程將節(jié)約成本近5000萬元，經(jīng)濟(jì)效益可見一斑。

4 結(jié)論

將模型試驗得出的筒倉基地彎矩與規(guī)范計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，規(guī)范給出地震作用下筒倉內(nèi)力的計算結(jié)果偏大，規(guī)定過于保守，由此將造成材料的浪費(fèi)與造價的增加。但同時，規(guī)范對于筒倉某些關(guān)鍵部位的規(guī)定又不夠深入，既造成材料的浪費(fèi)，又使得關(guān)鍵部位存在隱患，呈現(xiàn)一種“避重就輕”的不合理狀態(tài)。我國是筒倉使用大國，如果都能夠進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計，既能節(jié)省大量的資金，又能確保筒倉安全運(yùn)營，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。