淺談熱源廠封閉式煤庫(kù)擋煤墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙克祥

摘要：封閉式煤庫(kù)結(jié)構(gòu)可采用擋煤墻與上部框架結(jié)構(gòu)分離式設(shè)計(jì)，也可采用擋煤墻與上部框架結(jié)構(gòu)整體式設(shè)計(jì)，對(duì)某熱源廠煤庫(kù)采用以上兩種結(jié)構(gòu)形式，分別進(jìn)行擋煤墻結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算，明確煤庫(kù)擋煤墻結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，供同類工程設(shè)計(jì)者參考。

關(guān)鍵詞：封閉式煤庫(kù);擋煤墻;整體式;分離式

1前言：

隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化率的不斷提高以及大力發(fā)展節(jié)能減排的戰(zhàn)略舉措，在北方地區(qū)尤其是城鎮(zhèn)中積極推廣興建城市集中供熱熱源廠工程，同時(shí)由于城市規(guī)模的逐漸增大，熱源廠規(guī)模也越來(lái)越大。煤庫(kù)作為熱源廠中重要組成部分的儲(chǔ)煤構(gòu)筑物，其占用場(chǎng)地大，環(huán)保及儲(chǔ)煤要求高，在土地日益緊張的當(dāng)下，煤庫(kù)結(jié)構(gòu)形式的合理選取，關(guān)系到整個(gè)熱源廠的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

隨著熱源廠封閉式煤庫(kù)規(guī)模越來(lái)越大，其跨度一般超過(guò)30米，高度超過(guò)10米，長(zhǎng)度超過(guò)60米，儲(chǔ)煤需求量大，擋煤墻高度高。煤庫(kù)結(jié)構(gòu)形式選擇采用擋煤墻與上部框架結(jié)構(gòu)分離式（圖1、圖2），即擋煤墻與上部框架柱之間脫縫，縫寬20～50mm;也可以選擇采用擋煤墻與上部框架結(jié)構(gòu)整體式（圖1、圖3），擋煤墻與上部框架柱連為整體。本文就以某封閉式煤庫(kù)為例，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)擋煤墻結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析計(jì)算，供同類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

2、工程概況

某熱源廠封閉式干煤棚長(zhǎng)115.5米，寬38.4米，柱距為開(kāi)間方向8.25米，進(jìn)深方向9.6米，擋煤墻高度8.0米，屋面為網(wǎng)架屋面，網(wǎng)架支座底標(biāo)高為14.0米，煤庫(kù)內(nèi)地面標(biāo)高-2.0米，室外地面標(biāo)高為-0.3米。

根據(jù)地勘報(bào)告，該工程場(chǎng)區(qū)土層自上而下共三層：①素填土層，層厚0.3～1.2米;②粉土層，層厚0.5～2.0米;③碎石層，該層未揭穿?；A(chǔ)底標(biāo)高均坐落于③碎石層，地基承載力特征值fak=300kPa。地下水埋深較深可不考慮。

該工程所在地區(qū)基本風(fēng)壓0.55kN/m2，基本雪壓0.2，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。最冷月平均最低氣溫為-20℃，最熱月平均最高氣溫為33℃。煤庫(kù)建筑抗震設(shè)防類別為丙類。

3、結(jié)構(gòu)形式一：擋煤墻與上部框架分離式

上部框架結(jié)構(gòu)采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行整體建模計(jì)算，完成框架梁、柱內(nèi)力計(jì)算及配筋計(jì)算。計(jì)算模型如圖4。擋煤墻與框架分離后，單獨(dú)計(jì)算擋煤墻，堆煤荷載側(cè)向壓力完全由懸臂式擋墻承擔(dān)，擋墻計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5。

3.1擋煤墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1.1參數(shù)取值及荷載計(jì)算

（1）參數(shù)取值：無(wú)煙煤自重取g1=10.0kN/m2，內(nèi)摩擦角取φ1=30°，回填土容重取g2=18kN/m2，內(nèi)摩擦角取φ2=30°，摩擦系數(shù)取μ=0.45，混凝土容重取25kN/m2，地基承載力特征值取fak=300kPa。

（2）荷載計(jì)算：取單位寬度（1m）計(jì)算：懸臂板自重G1=110kN，底板自重G2=130kN，擋煤墻內(nèi)側(cè)底板上堆煤重G3=240kN，擋煤墻外側(cè)底板上土重G4=45.9kN。內(nèi)側(cè)堆煤側(cè)壓力：q1=5kN/m，q2=5+8×10×tan2（45°-30°/2）=31.7kN/m，墻頂砌體荷載為F1=7kN/m。

（3）煤庫(kù)內(nèi)堆煤工況為最不利工況，故只計(jì)算該工況。

3.1.2地基承載力驗(yàn)算

取單位寬度（1m）計(jì)算，豎向荷載總重Gk=G1+G2+G3+G4+F1=532.9kN，豎向荷載作用于基礎(chǔ)底面的力矩Mk=91.335kN·m，偏心距e=Mk/Gk=91.335/532.9=0.174<5.2/6=0.87，

底板邊緣最大壓力Pmax=532.9/（5.2×1）+91.335/（1×5.22/6）=122.3kPa<300kPa。

底板邊緣最小壓力Pmin=532.9/（5.2×1）-91.335/（1×5.22/6）=82.2kPa<300kPa。

地基承載力驗(yàn)算滿足要求。

3.1.3滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

滑移推力：F=8×（5+31.6）/2=146.8kN，抗滑移推力：F抗=μG=0.45×532.9=239.81kN，

F抗/F=239.81/146.8=1.63>1.3，抗滑移驗(yàn)算滿足要求。

3.1.4傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

傾覆彎矩：M抗=F×（8/3+1）=543.16kN·m

抗傾覆彎矩：M=（G1+F1）×1.85+G2×2.6+G3×3.7+G4×0.75=1476.9

M抗/M=1476.9/543.16=2.7>1.6，抗傾覆驗(yàn)算滿足要求。

3.1.5計(jì)算結(jié)論：鋼筋混凝土懸臂式擋煤墻地基承載力驗(yàn)算和整體穩(wěn)定驗(yàn)算均滿足要求，擋墻懸臂板及底板配筋按照《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》GB50010-2010相應(yīng)條款計(jì)算，本文中不再詳細(xì)列出。

4、結(jié)構(gòu)形式二：擋煤墻與上部框架整體式

整體式煤庫(kù)采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行整體建模計(jì)算，擋煤墻厚度為500mm，計(jì)算模型如圖6。該結(jié)構(gòu)形式中框架柱可作為擋煤墻的彈性支座，擋煤墻所承擔(dān)的堆煤側(cè)壓力部分可以傳遞到框架柱，從而可以減小擋煤墻的厚度，較為經(jīng)濟(jì)。但是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB000-2010規(guī)定，擋土墻、地下室外墻等類結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為20～30米，按整體式設(shè)計(jì)擋煤墻長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)范限值，季節(jié)溫差產(chǎn)生的溫度作用效應(yīng)的不利后果就必須考慮。根據(jù)本工程所在地的氣象資料，最冷月平均最低氣溫為-17℃，最熱月平均最高氣溫為33℃，假設(shè)煤庫(kù)基礎(chǔ)及擋墻施工完成時(shí)的溫度為8℃，則結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)升溫溫差為25℃，降溫溫差為-25℃。計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，還應(yīng)考慮對(duì)混凝土的彈性模量的徐變折減，折減系數(shù)取0.3。

4.1單工況內(nèi)力分析

4.1.1堆煤側(cè)壓力工況

選取煤庫(kù)中間一跨擋煤墻，在堆煤側(cè)壓力下?lián)趺簤澗卦茍D和軸力云圖如圖7、8所示。

從圖中可以看出，在堆煤側(cè)壓力工況下，在一個(gè)柱跨內(nèi)擋煤墻根部彎矩最大，兩側(cè)彎矩較大，頂部及跨中彎矩較小，說(shuō)明堆煤側(cè)壓力大部分直接傳遞到基礎(chǔ)，少部分傳遞到框架柱，再由框架柱傳遞到基礎(chǔ)。堆煤側(cè)壓力工況下，在一個(gè)柱跨內(nèi)擋煤墻軸力兩側(cè)較大，中間較小。

4.1.2升溫工況

選取煤庫(kù)中間一跨擋煤墻，在升溫工況下?lián)趺簤澗卦茍D和軸力云圖如圖9、10所示。

從圖中可以看出，升溫工況下，由于溫度荷載為均勻升溫，沒(méi)有考慮內(nèi)外壁溫差，所以擋煤墻內(nèi)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生彎矩，但是擋煤墻內(nèi)軸力很大。

4.1.3降溫工況

選取煤庫(kù)中間一跨擋煤墻，在降溫工況下?lián)趺簤澗卦茍D和軸力云圖如圖11、12所示。

從圖11、12中可以看出，降溫工況下，由于溫度荷載為均勻降溫，沒(méi)有考慮內(nèi)外壁溫差，所以擋煤墻內(nèi)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生彎矩，但是擋煤墻內(nèi)軸力很大。

4.2各荷載工況下內(nèi)力比較

通過(guò)分析對(duì)比各荷載工況下?lián)趺簤?nèi)軸力及彎矩，可以看出，擋煤墻豎向彎矩由堆煤側(cè)壓力工況控制，豎向配筋也由堆煤側(cè)壓力工況控制，擋煤墻內(nèi)水平軸力由升溫和降溫工況控制，水平向配筋也由升溫和降溫工況控制。由于升降溫工況下，擋煤墻內(nèi)水平軸力比較大，水平配筋也很大，相比擋煤墻與框架分離式，很不經(jīng)濟(jì)，因此，建議擋煤墻與框架整體式結(jié)構(gòu)在擋墻外側(cè)設(shè)置保溫層，盡量減小季節(jié)性溫差造成的擋墻內(nèi)軸力增大。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱源廠封閉式煤庫(kù)設(shè)計(jì)采用分離式結(jié)構(gòu)形式時(shí)，擋煤墻與上部框架結(jié)構(gòu)之間脫縫，結(jié)構(gòu)傳力路徑明確，上部框架結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行整體建模計(jì)算，擋煤墻按懸臂式擋墻計(jì)算，不用考慮溫度荷載的不利影響。結(jié)構(gòu)形式采用擋墻與上部框架整體式，擋煤墻與上部框架整體建模計(jì)算，擋煤墻與框架柱共同承擔(dān)堆煤側(cè)壓力，擋煤墻承擔(dān)側(cè)壓力大部分直接傳遞到基礎(chǔ)，部分側(cè)壓力先傳遞到框架柱，再由框架柱傳遞到基礎(chǔ)，框架柱配筋整體式比分離式大;同時(shí)考慮溫度荷載后，擋煤墻內(nèi)水平軸力很大，水平向鋼筋由溫度荷載工況控制，很不經(jīng)濟(jì)，建議整體式結(jié)構(gòu)擋煤墻外側(cè)設(shè)置保溫，減小溫度荷載的不利影響。兩種結(jié)構(gòu)形式均有很多實(shí)際工程案例，受限于個(gè)人能力，一點(diǎn)淺見(jiàn)供同類工程設(shè)計(jì)者參考，如有不妥之處，歡迎來(lái)信交流指正。

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