筒承式筒倉結構的優化設計

中國能源建設集團 李樹蔚 東北大學資源與土木工程學院 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渾河南岸。該期建設規模2×200兆瓦超高壓凝汽式機組配2×745噸/小時超高壓再熱循環流化床鍋爐。輸煤系統設置萬噸筒倉5個，直徑22米，高39.730米。

根據筒倉規范該簡倉確定為深倉。煤質為褐煤，容重按10千牛/立方米?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10克，抗震構造措施按7度設防，設計地震分組第一組，抗震等級為二級。結構安全等級為二級；耐火等級為二級；地基基礎設計等級為乙級，設計使用年限為50年。基礎持力層為中砂，筒倉倉壁采用鋼筋混凝土澆筑。結構剖面見圖1。

設計依據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002、《鋼筋混凝土筒倉設計規范》GB50077-2003、《建筑結構荷載規范》GB50009-2001(2006版)、《混凝土結構設計規范》GB50010-2002和《貯倉結構設計手冊》1999等規范，采用PKPM2008-SILO筒倉結構設計軟件進行有限元建模計算。筒倉結構構件應進行抗裂、裂縫寬度及受彎構件的撓度驗算。大直徑圓形筒倉倉壁厚度應按抗裂計算確定，配筋由裂縫控制。

1.1 各方式計算結果對比分析

1.1.1 筒倉的基底彎矩計算

通過測量筒倉試驗模型底部的環向應變和豎向應變，結合模型的彈性模量和泊松比，可以計算出模型的基底彎矩；數值模型中是通過提取筒倉基底的每一節點沿軸方向的節點力分量，乘以此節點與筒倉基底的形心形成的矢量的X軸分量，再將所有節點結果求和而得到基底彎矩的數值模擬值。

圖1 簡倉截面

1.1.2 規范中水平地震作用的計算

我國有關筒倉的現行規范一共有3部，它們分別是《鋼筋混凝土筒倉設計規范》（GB50077-2003）、《糧食鋼板筒倉設計規范》（GB50322-2011）和《鋼筒倉技術規范》（GB50884-2013），它們對于計算筒倉水平地震作用的規定是一致的，均規定：計算筒倉水平地震作用及其自振周期時，應取貯料總質量的80%作為貯料有效質量的代表值，重心應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，FEk為筒倉底部的水平剪力標準值，α1為相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數，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準值，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，水平地震影響系數可按最大水平地震影響系數取，即：

1.1.3 計算結果對比分析

本文采用模型試驗、數值模擬和規范計算得出Ⅱ類場地7度設防的不同裝料量下的筒倉基地彎矩值進行對比分析，計算結果見下表1。

由表可知，規范給出的計算公式過于保守，會造成較大的材料浪費。為此對原設計進行優化。

表1 筒倉基底彎矩值對比

2 筒倉結構優化內容

2.1 筒倉結構的選擇

筒倉結構的選擇與筒倉的容量、截面形狀等因素有關。筒倉的容量大，筒壁承受的荷載也大，二者成線性關系。但當倉容相同時，筒倉的截面形狀又對筒壁的應力大小起著重要影響，因此，選擇筒倉結構時，還應考慮容量與截面形狀?；鹆Πl電廠輸煤筒倉通常為高架式貯倉其倉體結構常為圓形、半地下式貯倉。一般采用現澆鋼筋混凝土結構。建在地震區的高架式貯礦倉應優先采用倉壁落地支承或倉壁與內柱共同支承的結構形式。各工程在確定筒倉結構形式時，應視使用要求、地區條件、總圖布置、投資費用、貯量及貯料性質等因素，綜合而定。

如圖2所示，在滿足隱意產生的諸條件的前提下，話語表達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，聽話者通過補足、擴展或轉移，進行進一步的語用加工，在認知語境和具體語境的作用下獲得隱意。在此過程中，在合作原則指導下，聽話者相信說話者有誠意通過話語表達某種意圖，且聽話者知道說話者相信聽話者有能力根據語境推導出話語的隱含意義。聽話者依據關聯認知原則，對話語可能表達的隱意進行推理加工，直至找到最佳關聯。如果隱意滿足不了聽話者的交際期待，他將繼續通過語用推理獲得含意，最終完成交際過程。

根據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，應按深倉或淺倉分別計算。

深倉應考慮上述摩擦作用，淺倉則可忽略。但當圓形貯礦倉的深度不小于15米，直徑不小于12米時，應同時按淺倉及深倉計算，取兩者中的大值。計算中應考慮結構自重、屋面及樓地面活荷載、設備荷載、貯料荷載和風荷載等作用的不利組合。在地震區，尚應考慮地震作用的影響。當裝料設備容量較大，一次裝料容積占貯礦倉總容積的比例較大時，應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，應驗算由于大面積堆料而引起的基礎附加沉降和地基的穩定性。根據使用條件對筒倉進行結構強度、變形和裂縫寬度驗算，并使其滿足現行規范的要求。對于整體相連的群倉應考慮空倉與滿倉的不利組合。對于較大的貯倉還應進行溫度作用計算。

2.2 基礎優化

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

2.3 倉頂厚度優化

倉頂結構過厚不但造成材料浪費，而且過大的倉頂質量會提高筒倉結構的質心，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，不利于筒倉結構的安全。為此對倉頂結構厚度進行優化，由2.0米減為0.8米。并筒倉倉頂設計成倒錐殼結構，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 倉體配筋優化

筒倉直徑22米，高39.730米，根據筒倉規范擬建工程確定為深倉。貯料為褐煤，容重按10千牛/立方米。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10克，抗震構造措施按7度設防，設計地震分組第一組，抗震等級為二級；結構安全等級為二級；耐火等級為二級；筒倉地基基礎設計等級為乙級，設計使用年限為50年。基礎持力層為中砂，筒倉倉壁采用鋼筋混凝土澆筑。采用PKPM2008-SILO筒倉結構設計軟件進行有限元建模，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

筒倉結構按承載能力極限狀態設計時，所有結構構件均應進行承載能力計算。當按正常使用極限狀態設計時，應根據使用要求控制筒倉的整體變形。筒倉結構構件應進行抗裂、裂縫寬度及受彎構件的撓度驗算。由計算結果可見，大直徑圓形筒倉倉壁厚度應按抗裂計算確定。配筋由裂縫控制。根據筒倉規范本文筒倉結構按正常使用極限狀態設計時其最大裂縫寬度允許值為0.2毫米。

內襯設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層加厚20毫米兼做內襯（內加Ф4b@100鉛絲網），倉壁或倉底受貯料沖磨嚴重或直接受沖磨得部位應選用抗沖磨性能好的材料作內襯，卸料口處的內襯應考慮易于更換，不應使用耐熱性差、易燃且易脫落的聚酯材料作為內襯。建議下環梁上返2米以下范圍內襯鑄石板或微晶板。通過調試計算，筒壁環形鋼筋間距由125毫米優化成135毫米，使鋼筋用量大為削減。

2.5 構造措施優化

3 筒倉優化成果

3.1 主要優化成果

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

（2）倉頂厚度有2.0米降低為0.8米；

（3）基礎底板由方形變為圓形，基礎底板厚度由2.5米優化成2.3米，厚度減少200毫米；

（4）筒壁環形鋼筋間距由125毫米優化成135毫米；

（5）筒壁外側保溫層取消。

3.2 優化前后工程量對比

表2 優化前后工程量對比

原工程單個筒倉造價5000多萬元，通過優化設計，每個筒倉造價可降低1000萬元左右，整個工程將節約成本近5000萬元，經濟效益可見一斑。

4 結論

將模型試驗得出的筒倉基地彎矩與規范計算結果對比發現，規范給出地震作用下筒倉內力的計算結果偏大，規定過于保守，由此將造成材料的浪費與造價的增加。但同時，規范對于筒倉某些關鍵部位的規定又不夠深入，既造成材料的浪費，又使得關鍵部位存在隱患，呈現一種“避重就輕”的不合理狀態。我國是筒倉使用大國，如果都能夠進行合理優化設計，既能節省大量的資金，又能確保筒倉安全運營，經濟社會效益顯著。