筒承式筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 李樹(shù)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(yáng)金山熱電2×200兆瓦“以大代小”供熱工程位于沈陽(yáng)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(shí)超高壓再熱循環(huán)流化床鍋爐。輸煤系統(tǒng)設(shè)置萬(wàn)噸筒倉(cāng)5個(gè)，直徑22米，高39.730米。

根據(jù)筒倉(cāng)規(guī)范該簡(jiǎn)倉(cāng)確定為深倉(cāng)。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(jì)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(jì)地震分組第一組，抗震等級(jí)為二級(jí)。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；耐火等級(jí)為二級(jí)；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年?；A(chǔ)持力層為中砂，筒倉(cāng)倉(cāng)壁采用鋼筋混凝土澆筑。結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002、《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》GB50010-2002和《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》1999等規(guī)范，采用PKPM2008-SILO筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有限元建模計(jì)算。筒倉(cāng)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(yàn)算。大直徑圓形筒倉(cāng)倉(cāng)壁厚度應(yīng)按抗裂計(jì)算確定，配筋由裂縫控制。

1.1 各方式計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

1.1.1 筒倉(cāng)的基底彎矩計(jì)算

通過(guò)測(cè)量筒倉(cāng)試驗(yàn)?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(jì)算出模型的基底彎矩；數(shù)值模型中是通過(guò)提取筒倉(cāng)基底的每一節(jié)點(diǎn)沿軸方向的節(jié)點(diǎn)力分量，乘以此節(jié)點(diǎn)與筒倉(cāng)基底的形心形成的矢量的X軸分量，再將所有節(jié)點(diǎn)結(jié)果求和而得到基底彎矩的數(shù)值模擬值。

圖1 簡(jiǎn)倉(cāng)截面

1.1.2 規(guī)范中水平地震作用的計(jì)算

我國(guó)有關(guān)筒倉(cāng)的現(xiàn)行規(guī)范一共有3部，它們分別是《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50077-2003）、《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50322-2011）和《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》（GB50884-2013），它們對(duì)于計(jì)算筒倉(cāng)水平地震作用的規(guī)定是一致的，均規(guī)定：計(jì)算筒倉(cāng)水平地震作用及其自振周期時(shí)，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(duì)于筒倉(cāng)的基底剪力和基底彎矩可按式(1)和式(2)計(jì)算。

式中，F(xiàn)Ek為筒倉(cāng)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(cāng)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(cāng)底部的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，hs為筒倉(cāng)自重的重心高度，hm為貯料總重的重心高度。

對(duì)于落地式筒倉(cāng)，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(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

本文采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和規(guī)范計(jì)算得出Ⅱ類場(chǎng)地7度設(shè)防的不同裝料量下的筒倉(cāng)基地彎矩值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表1。

由表可知，規(guī)范給出的計(jì)算公式過(guò)于保守，會(huì)造成較大的材料浪費(fèi)。為此對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 筒倉(cāng)基底彎矩值對(duì)比

2 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容

2.1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的選擇

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的選擇與筒倉(cāng)的容量、截面形狀等因素有關(guān)。筒倉(cāng)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(cāng)容相同時(shí)，筒倉(cāng)的截面形狀又對(duì)筒壁的應(yīng)力大小起著重要影響，因此，選擇筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)考慮容量與截面形狀。火力發(fā)電廠輸煤筒倉(cāng)通常為高架式貯倉(cāng)其倉(cāng)體結(jié)構(gòu)常為圓形、半地下式貯倉(cāng)。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(cāng)應(yīng)優(yōu)先采用倉(cāng)壁落地支承或倉(cāng)壁與內(nèi)柱共同支承的結(jié)構(gòu)形式。各工程在確定筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式時(shí)，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(yǔ)表達(dá)的所言先以語(yǔ)義確定得以解碼，傳遞給聽(tīng)話者并匹配其交際期待。然后，聽(tīng)話者通過(guò)補(bǔ)足、擴(kuò)展或轉(zhuǎn)移，進(jìn)行進(jìn)一步的語(yǔ)用加工，在認(rèn)知語(yǔ)境和具體語(yǔ)境的作用下獲得隱意。在此過(guò)程中，在合作原則指導(dǎo)下，聽(tīng)話者相信說(shuō)話者有誠(chéng)意通過(guò)話語(yǔ)表達(dá)某種意圖，且聽(tīng)話者知道說(shuō)話者相信聽(tīng)話者有能力根據(jù)語(yǔ)境推導(dǎo)出話語(yǔ)的隱含意義。聽(tīng)話者依據(jù)關(guān)聯(lián)認(rèn)知原則，對(duì)話語(yǔ)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(tīng)話者的交際期待，他將繼續(xù)通過(guò)語(yǔ)用推理獲得含意，最終完成交際過(guò)程。

根據(jù)物料對(duì)壁作用力的不同，筒倉(cāng)可分淺倉(cāng)和深倉(cāng)二大類。貯料計(jì)算高度與圓形倉(cāng)內(nèi)徑或矩形倉(cāng)短邊之比不小于1.5的貯礦倉(cāng)為深倉(cāng)，小于1.5時(shí)稱淺倉(cāng)。由于貯料與倉(cāng)壁之間的摩擦作用會(huì)減小貯料倉(cāng)壁及倉(cāng)底的壓力，因此在計(jì)算貯料對(duì)倉(cāng)壁的壓力時(shí)，應(yīng)按深倉(cāng)或淺倉(cāng)分別計(jì)算。

深倉(cāng)應(yīng)考慮上述摩擦作用，淺倉(cāng)則可忽略。但當(dāng)圓形貯礦倉(cāng)的深度不小于15米，直徑不小于12米時(shí)，應(yīng)同時(shí)按淺倉(cāng)及深倉(cāng)計(jì)算，取兩者中的大值。計(jì)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(cāng)總?cè)莘e的比例較大時(shí)，應(yīng)考慮貯料對(duì)倉(cāng)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(cāng)，應(yīng)驗(yàn)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(duì)筒倉(cāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和裂縫寬度驗(yàn)算，并使其滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。對(duì)于整體相連的群倉(cāng)應(yīng)考慮空倉(cāng)與滿倉(cāng)的不利組合。對(duì)于較大的貯倉(cāng)還應(yīng)進(jìn)行溫度作用計(jì)算。

2.2 基礎(chǔ)優(yōu)化

筒倉(cāng)為筒承式鋼筋混凝土筒倉(cāng)，原設(shè)計(jì)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(cāng)頂厚度優(yōu)化

倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)過(guò)厚不但造成材料浪費(fèi)，而且過(guò)大的倉(cāng)頂質(zhì)量會(huì)提高筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心，增大筒倉(cāng)剛度，提高筒倉(cāng)自振頻率，加劇水平地震作用下倉(cāng)頂位移，不利于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的安全。為此對(duì)倉(cāng)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(cāng)倉(cāng)頂設(shè)計(jì)成倒錐殼結(jié)構(gòu)，采用SILO單獨(dú)計(jì)算倉(cāng)頂配筋，減小倉(cāng)壁計(jì)算高度，減小倉(cāng)壁配筋量及混凝土用量。

2.4 倉(cāng)體配筋優(yōu)化

筒倉(cāng)直徑22米，高39.730米，根據(jù)筒倉(cāng)規(guī)范擬建工程確定為深倉(cāng)。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(jì)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(jì)地震分組第一組，抗震等級(jí)為二級(jí)；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；耐火等級(jí)為二級(jí)；筒倉(cāng)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年?；A(chǔ)持力層為中砂，筒倉(cāng)倉(cāng)壁采用鋼筋混凝土澆筑。采用PKPM2008-SILO筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有限元建模，筒倉(cāng)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(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載能力計(jì)算。當(dāng)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用要求控制筒倉(cāng)的整體變形。筒倉(cāng)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(yàn)算。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，大直徑圓形筒倉(cāng)倉(cāng)壁厚度應(yīng)按抗裂計(jì)算確定。配筋由裂縫控制。根據(jù)筒倉(cāng)規(guī)范本文筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)其最大裂縫寬度允許值為0.2毫米。

內(nèi)襯設(shè)計(jì)時(shí)倉(cāng)壁和倉(cāng)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(cāng)壁或倉(cāng)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(guò)調(diào)試計(jì)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(cāng)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(cāng)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(duì)比

表2 優(yōu)化前后工程量對(duì)比

原工程單個(gè)筒倉(cāng)造價(jià)5000多萬(wàn)元，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)筒倉(cāng)造價(jià)可降低1000萬(wàn)元左右，整個(gè)工程將節(jié)約成本近5000萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可見(jiàn)一斑。

4 結(jié)論

將模型試驗(yàn)得出的筒倉(cāng)基地彎矩與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，規(guī)范給出地震作用下筒倉(cāng)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果偏大，規(guī)定過(guò)于保守，由此將造成材料的浪費(fèi)與造價(jià)的增加。但同時(shí)，規(guī)范對(duì)于筒倉(cāng)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(guó)是筒倉(cāng)使用大國(guó)，如果都能夠進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能節(jié)省大量的資金，又能確保筒倉(cāng)安全運(yùn)營(yíng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。