歐羅倉系統(tǒng)土建結構設計的關鍵問題

苗 毅，王 軒，林少波

( 中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200333)

0 引言

近年來，隨著火力發(fā)電廠機組、規(guī)模的擴大及國內環(huán)保要求的逐漸提高，對火力發(fā)電廠煤場方案的場地利用率和封閉效率也提出了更高的要求。歐羅倉方案作為已有應用實例的國外先進封閉煤場方案，在場地利用率與封閉效果方面都具有優(yōu)勢，可以作為國內新建、改造煤場項目極具競爭力備選方案之一。

歐羅倉是一種獨有的筒倉系統(tǒng)。目前世界各地已有超過120 套歐羅倉系統(tǒng)正在運行中，有應用業(yè)績的歐羅倉最大容積為1×105m3[1]。對于火力發(fā)電廠儲煤系統(tǒng)來說，一座歐羅倉的倉儲量可以達到10 萬t，占地面積卻大約為圓形煤廠的三分之一、條形煤場的六分之一。相較于傳統(tǒng)的露天煤場、半封閉煤場或者圓形煤場，歐羅倉的倉體封閉效果更好，對周圍環(huán)境影響幾乎可以忽略不計。

本文主要對比和分析了在軟土地基上建設的歐羅倉工程A 和九度地震區(qū)上建設的歐羅倉工程B。工程A 和工程B 均為應用在火力發(fā)電廠內儲量為10 萬t 的歐羅倉。倉內凈高60 m，內徑55 m，最高堆煤高度45 m。工程A 埋深約-9 m，工程B 埋深約-22 m。經(jīng)過兩個實際項目的設計，筆者發(fā)現(xiàn)，由于歐羅倉體量大、堆煤高度高，運行要求高，明顯不同于一般的筒倉結構，在結構設計方面存在許多關鍵性的問題，希望引起結構工程師們的重視。

1 荷載取值

1.1 工藝荷載

圖1 為歐羅倉廠家提供的歐羅倉典型荷載。分為考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力的荷載工況1和不考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力荷載工況2。主要包括貯料(煤)對倉壁和底板產(chǎn)生的壓力、摩擦力，對卸料口產(chǎn)生的壓力，螺旋輸送機的運行荷載等。

圖1 歐羅倉廠家提供的歐羅倉典型荷載

需要注意的是，由于倉內物料一直處于流動狀態(tài)，無法形成有效的土拱，筒倉底部廊道頂板荷載不能折減，必須按照實際駐煤高度進行考慮。廊道頂板厚度亦應根據(jù)堆煤荷載產(chǎn)生的剪力確定。倘若受剪承載力無法滿足，應在廊道頂板內配置在箍筋、彎起鋼筋或局部加腋。

1.2 溫度荷載

筒倉的溫度荷載主要包括季節(jié)溫差、倉壁內外溫差及日照溫差等。由于目前國內火力發(fā)電行業(yè)上大壓小的特點，火力發(fā)電廠如果選擇歐羅倉作為儲煤方案，那么基本會選擇其工藝系統(tǒng)允許的最大容積。在這種情況下，由于煤炭緩慢氧化自發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度效應無法忽視。倘若煤倉恰好處于寒冷地區(qū)，由溫度產(chǎn)生巨大的附加彎矩和軸向拉力，將會成為控制結構體系安全與造價的關鍵所在。

由于之前歐羅倉體系在我國火力發(fā)電行業(yè)中未曾有過應用，在設計過程中，結構專業(yè)和工藝專業(yè)對歐羅倉溫度荷載的取值也存在一定的爭議。根據(jù)歐羅倉廠家和工藝專業(yè)提供的實測數(shù)據(jù)，歐羅倉中心點卸料時卸料口的溫度可能高達80℃。由于之前并無同類工程，缺乏筒壁處的溫度監(jiān)控，倘若按此溫度對筒壁進行設計，無疑對結構的經(jīng)濟合理性造成巨大的影響。設計過程中，經(jīng)過結構專業(yè)與工藝專業(yè)進行多次的探討與研究，最終達成共識，考慮歐羅倉系統(tǒng)本身為一個封閉系統(tǒng)，內部處于缺氧環(huán)境，且歐羅倉系統(tǒng)本身在底部已經(jīng)設置了惰性氣體保護措施(注氮系統(tǒng))削弱煤炭的自氧化，與歐羅倉筒壁接觸的貯料溫度不應超過同條件下的圓形煤場堆煤溫度荷載。故在缺乏實測參數(shù)的情況下，可取同類型圓形煤場筒壁溫度荷載作為歐羅倉筒壁內側的溫度荷載進行設計。

另一方面，我國的鋼筋混凝土筒倉設計標準，應對不同類型的溫度荷載及結構體系的不同要求，允許對筒倉鋼筋混凝土乘以不同的折減系數(shù)。建議由季節(jié)溫差產(chǎn)生的剛度折減系數(shù)為0.20 ～0.50；筒壁內外溫差產(chǎn)生的溫度應力，剛度折減系數(shù)取0.65。同時，考慮筒壁外表面的季節(jié)傳熱系數(shù)[2]，可以將冬季最不利溫差工況的筒壁溫差降低5 ～10℃。

2 結構體系

2.1 主體結構

歐羅倉倉壁是一種薄殼結構，正常使用工況下起主導作用的內力為沿筒壁環(huán)向均勻分布的軸向拉力。GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計標準》中建議，對于直徑大于21 m 無法滿足正常使用極限狀態(tài)的倉壁可采用預應力鋼筋[3]。但實際上，對于大型落地式筒倉來說，預應力鋼筋混凝土結構體系雖然可以有效降低沿筒壁環(huán)向的軸向拉應力，但是也對筒壁的裂縫和溫度效應提出了更高的要求，經(jīng)濟性上的優(yōu)勢十分微弱，且預應力鋼筋對施工工藝和工期都有了額外的限制。另一方面，雖然在GB 50191—2012《構筑物抗震規(guī)范》中提到，6 ～8度時，對于筒承式圓形筒倉倉壁與倉底整體連接時，倉壁、倉底可不進行抗震驗算[4]，但歐羅倉結構作為大型落地筒倉，直徑、高度、容量都超過了一般筒倉的范疇，地震作用無法忽略。由于預應力鋼筋不適合作為抗震鋼筋，經(jīng)過多方考量，建議仍選用一般的鋼筋混凝土筒倉結構作為主體結構。其典型斷面，如下圖2 所示。

圖2 歐羅倉結構典型斷面圖

2.2 倉頂結構

歐羅倉倉頂?shù)臈蜃鳛橹饕M煤通道，下方懸掛的螺旋輸送機重達上百噸。作為主要設備，螺旋輸送機對于上部棧橋的撓度提出了很高的要求。根據(jù)廠家提供的資料，要求筒倉廊道和屋頂可變荷載的允許撓度最大為2 cm ，靜載荷下的允許撓度最大為6 cm。歐羅倉直徑約為60 m，所以靜載下的撓度要求約為1/1 000，遠高于一般建筑結構的變形要求。

設計歐羅倉頂棧橋的過程中，筆者采取了幾種方案進行對比來降低結構的撓曲變形，如圖3 所示。在方案的比對中發(fā)現(xiàn)，支腿處增加的斜撐可以顯著降低倉頂棧橋的跨中變形，降低跨中彎矩。雙層桁架布置和下沉式布置的共同點是，倉頂橋面層下方可設置為電纜層，電纜鋪設較為方便。這兩種方案適用于橋面距離設備高差較大的情況。如果橋面與倉頂距離較為緊張，則可采取上翻式布置。筆者在不同工程中分別根據(jù)實際工程的特點分別采用了雙層桁架和上翻式布置。此時，倉頂棧橋不再是簡支梁體系，而變?yōu)轭愃朴诠皹虻氖軌后w系，棧橋支座處產(chǎn)生了較為可觀的水平推力。筒倉結構屬薄壁結構，對于面外的水平推力較為敏感。因此，在筒倉頂部設置了大截面的圈梁，以增強筒倉局部的整體剛度。同時，采用魚骨式屋架布置，如圖4 所示，將屋面梁與圈梁可靠連接，經(jīng)過計算，相比于放射式布置，能顯著減小屋面的變形和減小水平力產(chǎn)生的局部彎矩。需要注意的是，由于歐羅倉直徑較大，倉壁剛度有限，如果將倉頂廊道及屋面與倉壁分開計算，將會高估歐羅倉本體的剛度，使得計算撓度偏小。所以在進行電算時，不應將歐羅倉倉頂結構與主體結構分別計算。另外，采用斜撐設計的鋼結構棧橋柱腳需要考慮施工吊裝的過程對采用抗剪鍵或抗剪埋件的柱腳做特殊的構造處理，保證水平力的安全傳遞。

圖4 屋面結構形式

2.3 地基處理

10 萬立方米的歐羅倉最大儲煤高度大約為45 m，煤的天然密度約為1.1 t/m3。根據(jù)簡單計算，考慮底板自重，歐羅倉下持力層的承載力應至少為500 kN/m2。歐羅倉高度約為60 m，直徑約為55 m，雖然直徑很大，但是依然屬于深倉的范疇，倉壁必須考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力。地基基礎的設計過程中發(fā)現(xiàn)，考慮此豎向摩擦力后，正常使用狀態(tài)下的筒壁環(huán)基局部地基承載力要求大約達到倉底的一倍，約為700 ～1 100 kN/m2，如圖5 所示。從結構設計的一般經(jīng)驗上來說，僅有中風化以下的基巖和埋深很深的的砂土、碎石土能夠作為天然地基滿足承載力的要求。

圖5 恒載+活載工況下的基礎壓力云圖

對于實際工程而言，筆者承擔設計任務的兩個工程，工程A 位于軟土地基上，天然基地承載力不足100 kPa；工程B 位于九度地震區(qū)，持力層情況較好，約為600 ～800 kPa，但根據(jù)前期的初步計算，地震工況下地基承載力進一步提高到了不小于1 200 ～1 300 kPa。地基基礎最大反力出現(xiàn)在環(huán)基及地下廊道的兩端。經(jīng)過考量，工程A 最終采用樁端后注漿方式提高單樁承載力，樁間距大約2.4 m，單樁承載力大約6 000 kN。工程B 將歐羅倉埋深加深，最深處約為20 m，同時提高回填土回填要求，加強回填土對倉壁的側向約束作用，降低地震作用的危害。

2.4 抗震設計

GB 50191—2012《構筑物抗震規(guī)范》中建議，6 ～8 度時，對于筒承式圓形筒倉倉壁與倉底整體連接時，倉壁、倉底可不進行抗震驗算[4]。條文說明的解釋為“當開洞面積在控制范圍內時，筒壁與倉底連接的筒壁支承筒倉，剛度大并具有良好的抗震性能?！钡珰W羅倉由于高度高、容積大，倘若將貯料作為均勻分布的質量點施加在倉壁上，將會產(chǎn)生巨大的慣性力。

以工程B 為例，根據(jù)計算，歐羅倉結構的周期約為1.4 s，場地特征周期0.4 s，9 度區(qū)的多遇地震水平影響系數(shù)最大值為0.32。根據(jù)底部剪力法估算，僅貯料產(chǎn)生的水平地震剪力為(0.4 s/1.4 s)0.9×0.32g×105m3×1.1 t/m3≈105kN，產(chǎn)生的傾覆力矩約為3×106kN·m。歐羅倉直徑約為55 m，初步估算，由地震傾覆力矩產(chǎn)生的附加基地反力約為200 ～300 kPa。由于局部廊道對荷載的吸收作用，且廊道沿徑向布置，當?shù)卣鹆ζ叫欣鹊婪较驎r，廊道兩端下臥層由地震引起的地基反力會明顯集中，超出規(guī)范允許的耐力調整范圍。

實際上，由于堆料實際上是散粒體，重力荷載是通過基礎直接傳給地基，將此地震傾覆力矩完全地被施加在筒壁上，不考慮堆料在傾覆力矩作用下的壓力變化，會使得倉壁下的地基反力明顯偏大。實際上大部分傾覆力矩將會由貯料直接傳遞給地基土，使得局部的集中反力顯著減小，建議結構工程師在實際設計時適當考慮。

3 計算分析

采用實體單元和殼單元對工程A 和工程B分別進行的建模和模擬(圖6)。為對比重載下結構沉降變形的實際特點，分別采用實體單元和殼單元模型進行模擬。實體單元模型和殼單元模型的主要區(qū)分為，實體單元模型中，土體和結構單元均按照實體模型進行模擬；殼單元模型按照殼單元及傳統(tǒng)的土/樁彈簧單元對結構進行模擬。

圖6 電算模型

根據(jù)實際計算結果發(fā)現(xiàn)，由于歐羅倉倉底的廊道與倉壁條基整體連接，歐羅倉下廊道與一般的廊道受力模式顯著不同，如圖7 所示。結合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，歐羅倉倉底廊道兩端形成類似支座的整體效應。此時，整個歐羅倉倉底廊道兩端沉降小，跨中沉降大；地基反力兩端大，中間反力小。受力形式類似一個大截面的箱型受彎構件。

圖7 恒載+活載工況下的廊道區(qū)域變形云圖

一般的地下廊道在不考慮抗震的情況下，可取橫剖面按照平面模型進行設計，受力鋼筋為橫向鋼筋，彎矩在平面內分布。此時，縱向鋼筋為分布鋼筋，非受力鋼筋。歐羅倉倉底廊道則由于倉內壁重載和廊道區(qū)域剛度增大的影響，產(chǎn)生了沿廊道縱向的差異變形，縱向鋼筋成為受力鋼筋，如圖8 ～圖9 所示。由于歐羅倉廊道整體作為簡支箱形截面彎曲變形，廊道底板呈現(xiàn)出貫通全截面的拉力。由于廊道底板為迎土/水構件，裂縫控制要求比較高，縱向分布鋼筋配筋率會明顯升高。另一方面，對于筒壁與環(huán)基來說，廊道兩端部分為懸空的薄弱點，筒倉外壁會由于支撐剛度的變化產(chǎn)生的協(xié)調變形，導致外壁與底板與廊道頂板交界處剪力增大，同時受拉、彎配筋增加。由此兩個工程對比可得出粗略結論，此種效應隨地基變形模量的下降而增加。

圖8 一般廊道受力模式示意

圖9 歐羅倉倉底廊道受力模式示意圖

在歐羅倉上部結構中，抵抗水平作用的受力鋼筋為縱向鋼筋，抵抗堆煤荷載作用的受力鋼筋為水平鋼筋，它們有明顯的功能區(qū)分。同時，由于上述效應的存在，亦會導致歐羅倉廊道頂部縱向鋼筋明顯增大。如表1 所示，列出了實際工程中不同烈度區(qū)縱向鋼筋的配筋率，可以看出明顯的分布規(guī)律。

表1 歐羅倉不同區(qū)域配筋率對比

4 結語

歐羅倉由上至下由倉頂棧橋、屋面、倉壁、倉底及倉底棧橋組成，合理的設計可以發(fā)揮出工藝系統(tǒng)占地面積小、環(huán)保表現(xiàn)好的優(yōu)勢?？紤]征地成本，其造價亦相對于傳統(tǒng)的煤倉形式具有很大的優(yōu)勢。對于我國城市電廠的發(fā)展可以說是一個較為完美的解決方案。同時，歐羅倉的推廣對土建結構工程師們也提出了更高的要求。