筒承式筒仓美化结构的优化设计

沈阳金山热电2×200兆瓦“以大代小”供热工程位于沈阳市苏家屯区浑河南岸。该期建设规模2×200兆瓦超高压凝汽式机组配2×745吨/小时超高压再热循环流化床锅炉。输煤系统设置万吨筒仓5个, 直径22米, 高39.730米。
根据筒仓规范该简仓确定为深仓。煤质为褐煤, 容重按10千牛/立方米。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度0.10克, 抗震构造措施按7度设防, 设计地震分组第一组, 抗震等级为二级。结构安全等级为二级;耐火等级为二级;地基基础设计等级为乙级, 设计使用年限为50年。基础持力层为中砂, 筒仓仓壁采用钢筋混凝土浇筑。结构剖面见图1。
设计依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002、《钢筋混凝土筒仓设计规范》GB50077-2003、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001 (2006版) 、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002和《贮仓结构设计手册》1999等规范, 采用PKPM2008-SILO筒仓结构设计软件进行有限元建模计算。筒仓结构构件应进行抗裂、裂缝宽度及受弯构件的挠度验算。大直径圆形筒仓仓壁厚度应按抗裂计算确定, 配筋由裂缝控制。
1.1 各方式计算结果对比分析
1.1.1 筒仓的基底弯矩计算
通过测量筒仓试验模型底部的环向应变和竖向应变, 结合模型的弹性模量和泊松比, 可以计算出模型的基底弯矩;数值模型中是通过提取筒仓基底的每一节点沿轴方向的节点力分量, 乘以此节点与筒仓基底的形心形成的矢量的X轴分量, 再将所有节点结果求和而得到基底弯矩的数值模拟值。
图1 简仓截面
图1 简仓截面   下载原图
1.1.2 规范中水平地震作用的计算
我国有关筒仓的现行规范一共有3部, 它们分别是《钢筋混凝土筒仓设计规范》 (GB50077-2003) 、《粮食钢板筒仓设计规范》 (GB50322-2011) 和《钢筒仓技术规范》 (GB50884-2013) , 它们对于计算筒仓水平地震作用的规定是一致的, 均规定:计算筒仓水平地震作用及其自振周期时, 应取贮料总质量的80%作为贮料有效质量的代表值, 重心应取其贮料总重的重心。对于筒仓的基底剪力和基底弯矩可按式 (1) 和式 (2) 计算。

式中, FEk为筒仓底部的水平剪力标准值, α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数, Gsk为筒仓自重的重力荷载代表值, Gmk为贮料总重的重力荷载代表值, MEk为筒仓底部的弯矩标准值, hs为筒仓自重的重心高度, hm为贮料总重的重心高度。
对于落地式筒仓, 水平地震影响系数可按最大水平地震影响系数取, 即:

1.1.3 计算结果对比分析
本文采用模型试验、数值模拟和规范计算得出Ⅱ类场地7度设防的不同装料量下的筒仓基地弯矩值进行对比分析, 计算结果见下表1。
由表可知, 规范给出的计算公式过于保守, 会造成较大的材料浪费。为此对原设计进行优化。
表1 筒仓基底弯矩值对比     下载原表
表1 筒仓基底弯矩值对比
2 筒仓结构优化内容
2.1 筒仓结构的选择
筒仓结构的选择与筒仓的容量、截面形状等因素有关。筒仓的容量大, 筒壁承受的荷载也大, 二者成线性关系。但当仓容相同时, 筒仓的截面形状又对筒壁的应力大小起着重要影响, 因此, 选择筒仓结构时, 还应考虑容量与截面形状。火力发电厂输煤筒仓通常为高架式贮仓其仓体结构常为圆形、半地下式贮仓。一般采用现浇钢筋混凝土结构。建在地震区的高架式贮矿仓应优先采用仓壁落地支承或仓壁与内柱共同支承的结构形式。各工程在确定筒仓结构形式时, 应视使用要求、地区条件、总图布置、投资费用、贮量及贮料性质等因素, 综合而定。
根据物料对壁作用力的不同, 筒仓可分浅仓和深仓二大类。贮料计算高度与圆形仓内径或矩形仓短边之比不小于1.5的贮矿仓为深仓, 小于1.5时称浅仓。由于贮料与仓壁之间的摩擦作用会减小贮料仓壁及仓底的压力, 因此在计算贮料对仓壁的压力时, 应按深仓或浅仓分别计算。
深仓应考虑上述摩擦作用, 浅仓则可忽略。但当圆形贮矿仓的深度不小于15米, 直径不小于12米时, 应同时按浅仓及深仓计算, 取两者中的大值。计算中应考虑结构自重、屋面及楼地面活荷载、设备荷载、贮料荷载和风荷载等作用的不利组合。在地震区, 尚应考虑地震作用的影响。当装料设备容量较大, 一次装料容积占贮矿仓总容积的比例较大时, 应考虑贮料对仓壁的冲击作用。
具有大面积堆料的地面式、地下或半地下式贮矿仓, 应验算由于大面积堆料而引起的基础附加沉降和地基的稳定性。根据使用条件对筒仓进行结构强度、变形和裂缝宽度验算, 并使其满足现行规范的要求。对于整体相连的群仓应考虑空仓与满仓的不利组合。对于较大的贮仓还应进行温度作用计算。
2.2 基础优化
筒仓为筒承式钢筋混凝土筒仓, 原设计基础底板为方形, 基础底板厚2.5米, 基础埋深-5.77米。优化后将基础底板改为圆形, 基础底板厚度优化成2.3米, 厚度减少200毫米;基础埋深提升为-5.77米, 埋深深度减少200毫米。
2.3 仓顶厚度优化
仓顶结构过厚不但造成材料浪费, 而且过大的仓顶质量会提高筒仓结构的质心, 增大筒仓刚度, 提高筒仓自振频率, 加剧水平地震作用下仓顶位移, 不利于筒仓结构的安全。为此对仓顶结构厚度进行优化, 由2.0米减为0.8米。并筒仓仓顶设计成倒锥壳结构, 采用SILO单独计算仓顶配筋, 减小仓壁计算高度, 减小仓壁配筋量及混凝土用量。
2.4 仓体配筋优化
筒仓直径22米, 高39.730米, 根据筒仓规范拟建工程确定为深仓。贮料为褐煤, 容重按10千牛/立方米。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度0.10克, 抗震构造措施按7度设防, 设计地震分组第一组, 抗震等级为二级;结构安全等级为二级;耐火等级为二级;筒仓地基基础设计等级为乙级, 设计使用年限为50年。基础持力层为中砂, 筒仓仓壁采用钢筋混凝土浇筑。采用PKPM2008-SILO筒仓结构设计软件进行有限元建模, 筒仓壁厚为400毫米, 混凝土采用C40, 受力钢筋保护层为30毫米, 钢筋采用HRB335。计算简图如图2所示。 图2 模型计算简图
筒仓结构按承载能力极限状态设计时, 所有结构构件均应进行承载能力计算。当按正常使用极限状态设计时, 应根据使用要求控制筒仓的整体变形。筒仓结构构件应进行抗裂、裂缝宽度及受弯构件的挠度验算。由计算结果可见, 大直径圆形筒仓仓壁厚度应按抗裂计算确定。配筋由裂缝控制。根据筒仓规范本文筒仓结构按正常使用极限状态设计时其最大裂缝宽度允许值为0.2毫米。
内衬设计时仓壁和仓底受贮料冲磨轻微的部位, 可将受力钢筋的混凝土保护层加厚20毫米兼做内衬 (内加Ф4b@100铅丝网) , 仓壁或仓底受贮料冲磨严重或直接受冲磨得部位应选用抗冲磨性能好的材料作内衬, 卸料口处的内衬应考虑易于更换, 不应使用耐热性差、易燃且易脱落的聚酯材料作为内衬。建议下环梁上返2米以下范围内衬铸石板或微晶板。通过调试计算, 筒壁环形钢筋间距由125毫米优化成135毫米, 使钢筋用量大为削减。
2.5 构造措施优化
根据沈阳地区冬季温差变化及混凝土自身温度环境下的力学性质, 取消筒仓外壁保温层。
3 筒仓优化成果
3.1 主要优化成果
(1) 基础埋深由-5.77米优化成-5.57米, 基础埋深深度减少200毫米;
(2) 仓顶厚度有2.0米降低为0.8米;
(3) 基础底板由方形变为圆形, 基础底板厚度由2.5米优化成2.3米, 厚度减少200毫米;
(4) 筒壁环形钢筋间距由125毫米优化成135毫米;
(5) 筒壁外侧保温层取消。
3.2 优化前后工程量对比
表2 优化前后工程量对比     下载原表
表2 优化前后工程量对比
原工程单个筒仓造价5000多万元, 通过优化设计, 每个筒仓造价可降低1000万元左右, 整个工程将节约成本近5000万元, 经济效益可见一斑。
4 结论
将模型试验得出的筒仓基地弯矩与规范计算结果对比发现, 规范给出地震作用下筒仓内力的计算结果偏大, 规定过于保守, 由此将造成材料的浪费与造价的增加。但同时, 规范对于筒仓某些关键部位的规定又不够深入, 既造成材料的浪费, 又使得关键部位存在隐患, 呈现一种“避重就轻”的不合理状态。我国是筒仓使用大国, 如果都能够进行合理优化设计, 既能节省大量的资金, 又能确保筒仓安全运营, 经济社会效益显著。