電廠封閉式圓形煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

專題二：封閉式圓形煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化專題報(bào)告目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1前言 32煤場(chǎng)工程條件 32.1主要設(shè)計(jì)參數(shù) 32.2煤場(chǎng)地質(zhì)條件 93典型厚壁煤倉(cāng)方案分析 93.1典型厚壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn) 93.2混凝土用量計(jì)算 114環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案分析 124.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn) 124.2混凝土用量計(jì)算 145預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案分析 145.1預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案特點(diǎn) 145.2混凝土用量計(jì)算 155.3預(yù)應(yīng)力計(jì)算 155.4預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計(jì)算 166預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案分析 176.1預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn) 176.2混凝土用量計(jì)算 176.3預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計(jì)算 177四種方案綜合比選 187.1技術(shù)性比選 187.2經(jīng)濟(jì)性比選 207.3比選結(jié)論 201前言隨著人們對(duì)生產(chǎn)生活環(huán)境的要求不斷提高，新建的發(fā)電廠煤場(chǎng)都引入了國(guó)外的封閉式圓形煤倉(cāng)。這種儲(chǔ)煤方式外形美觀，占地少，儲(chǔ)量大，密封性好，100％回取率無(wú)浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境污染小,且能夠減少日照下煤自燃和風(fēng)雨作用下煤流失所造成的損耗。國(guó)內(nèi)最先引進(jìn)使用的圓形煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)方案是單元式扶壁柱擋土墻煤倉(cāng)方案。該方案中扶壁柱在水平推力作用下產(chǎn)生很大的底部彎矩和水平位移，以致扶壁柱設(shè)計(jì)截面過(guò)大，且較大的水平位移給基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度。為克服上述難度，設(shè)計(jì)人員先后在工程中使用了整體式扶壁柱擋土墻煤倉(cāng)、整體式厚壁圓形煤倉(cāng)等結(jié)構(gòu)形式。圖1和圖2是目前國(guó)內(nèi)典型的120m直徑整體式厚壁圓形煤倉(cāng)的結(jié)構(gòu)方案。該結(jié)構(gòu)形式盡管比傳統(tǒng)圓形煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式（單元式扶壁柱擋土墻煤倉(cāng)和整體式扶壁柱擋土墻煤倉(cāng)）有所改進(jìn)，但仍然存在許多問(wèn)題：如混凝土用量過(guò)大；鋼材用量過(guò)為了使圓形煤倉(cāng)的設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理，考慮另外一種圓形煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)方案，主要思想是將扶壁柱保留，沿扶壁柱豎向布置上、中、下三道封閉環(huán)梁，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成梁－板整體結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)方案已經(jīng)成功用于東莞玖龍紙業(yè)熱電廠90m直徑圓形煤倉(cāng)和玖龍紙業(yè)（重慶）有限公司120另外還對(duì)圖5和圖6（預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)）、圖7和圖8（預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)）所示的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了綜合分析。通過(guò)對(duì)圖1～圖8所示的4種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的對(duì)比分析，從中找出可用于本工程圓形煤倉(cāng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。2煤場(chǎng)工程條件2.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)50年一遇基本風(fēng)壓：0.35KN/m2100年一遇基本風(fēng)壓：0.40KN/m2基本雪壓：0.40kN/m2累年極端最高/低氣溫40.3℃/-7.0多年平均氣溫：17.2℃抗震設(shè)防烈度：VI度。建筑場(chǎng)地類別：II類；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；2.2煤場(chǎng)地質(zhì)條件圓形煤場(chǎng)區(qū)域回填土較深，最深處約-20m，且飽和粉煤灰填土層厚度達(dá)15m，圓形煤場(chǎng)基礎(chǔ)處理應(yīng)分成煤場(chǎng)堆料部分和環(huán)形擋煤墻基礎(chǔ)兩部分。（1）對(duì)于封閉煤場(chǎng)堆料區(qū)，采用由PHC管樁、板托、一定厚度的碎石墊層與樁間土組成的復(fù)合地基，以5號(hào)粘土或8號(hào)粉質(zhì)粘土混碎石為樁基持力層，樁端全斷面進(jìn)入持力層不少于1m。（2）對(duì)于封閉煤場(chǎng)環(huán)形擋煤墻基礎(chǔ)，采用鉆孔灌注樁（D=800mm,樁長(zhǎng)約22,以11號(hào)中風(fēng)化粉砂巖、礫巖交互層作為持力層，樁端全斷面進(jìn)入持力層不少于1D）進(jìn)行基礎(chǔ)處理。3典型厚壁煤倉(cāng)方案分析3.1典型厚壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn)典型厚壁煤倉(cāng)方案的優(yōu)點(diǎn)是倉(cāng)壁外觀平整，施工較方便；缺點(diǎn)是鋼材和混凝土的用量過(guò)大，且由于厚壁自重大，導(dǎo)致承臺(tái)及基礎(chǔ)的費(fèi)用高。同時(shí)，由于厚壁煤倉(cāng)混凝土用量大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中存在不易控制的水化熱現(xiàn)象，容易在倉(cāng)壁出現(xiàn)裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用。結(jié)合本工程煤倉(cāng)壁高20.123m的特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算得出最優(yōu)的倉(cāng)壁底部厚度為1.2m，頂部厚度為0.7圖3.1厚壁煤倉(cāng)方案模型簡(jiǎn)圖圖3.2厚壁煤倉(cāng)方案豎向應(yīng)力圖圖3.3厚壁煤倉(cāng)方案環(huán)向應(yīng)力圖圖3.4厚壁煤倉(cāng)方案變形圖3.2混凝土用量計(jì)算倉(cāng)壁的橫截面面積為18.7m2，承臺(tái)的橫截面面積為12.8m2。整座煤倉(cāng)的混凝土用量為：V11=(18.7+12.8)×π×(120+0.6)=11934m承臺(tái)下采用樁徑0.8m，樁長(zhǎng)30m的灌注樁，整座煤倉(cāng)的樁數(shù)為360根，故樁的混凝土用量為：V12=π×0.42×30×360=4環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案分析4.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn)環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案是一種新型煤倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式,從一般梁板結(jié)構(gòu)得到啟發(fā),將煤倉(cāng)混凝土墻壁改為梁板結(jié)構(gòu),考慮到該煤場(chǎng)擋煤墻高度20.13m，相對(duì)較高，保留扶壁柱,沿高度方向,在扶壁柱上、中、下部分別布置四道環(huán)梁。四道環(huán)梁、扶壁柱與它們之間的墻體共同構(gòu)成梁板結(jié)構(gòu)，墻體被分成平面尺寸較小的板式單元，墻厚大大減小，板變?yōu)榧兇獾氖軓潣?gòu)件，被劃分為較小的受力單元，板厚可以做得相對(duì)較薄，且裂縫比較容易控制。四道環(huán)梁屬于拉彎構(gòu)件，可作為扶壁柱的彈性支點(diǎn)，扶壁柱由于受到環(huán)梁的彈性支座式約束，在四道環(huán)梁“箍”的作用下，頂部徑向水平位移得到有效的控制，底部彎矩大大減小，設(shè)計(jì)截面可比普通懸臂式扶壁柱截面小很多，再加之底部環(huán)梁的約束，扶壁柱底部向外的徑向位移受到限制，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)力也大大減小。對(duì)于該煤倉(cāng)方案，設(shè)計(jì)控制截面一般位于扶壁柱根部，此處彎矩最大，可用于設(shè)計(jì)截面配筋，比較常規(guī)懸臂式擋煤墻及本文提出的環(huán)梁式擋煤墻在同樣荷載工況（1.2恒+1.4活）的內(nèi)力值，扶壁柱的底部彎矩、剪力、徑向水平位移分別只有原來(lái)的3.76%、5.46%、12.3%。本方案布置詳圖見圖3和圖4。盡管本方案中倉(cāng)壁的扶壁柱和環(huán)梁使外形變得復(fù)雜，增加了一定的施工難度，但是這使得外形更為豐富，更具結(jié)構(gòu)美感。更為重要的是，倉(cāng)壁厚度為定值，使得模板在一垂直面上，可無(wú)需修改直接重復(fù)使用，便于施工。而厚壁煤倉(cāng)的漸變壁厚使支模難度大大增加，因?yàn)槊慷文０宓那屎痛笮《际亲兓模慷味夹枰M(jìn)行修改調(diào)整。綜上所述，與典型厚壁圓形煤倉(cāng)相比，本方案具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，并已成功用于多個(gè)竣工電廠煤倉(cāng)的實(shí)際工程中。計(jì)算模型和內(nèi)力、變形分布圖如下：圖4.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案模型簡(jiǎn)圖圖4.2環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案內(nèi)力圖圖4.3環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案應(yīng)力圖4.2混凝土用量計(jì)算倉(cāng)壁的橫截面面積為11.9m2，連梁的橫截面面積為2.8m2。每個(gè)扶壁柱截面面積為32.9m2，厚0.8m；每個(gè)承臺(tái)截面面積V21=(11.9+2.8)×π×(120+0.3)+(32.9×0.8+10×6.4)×36=8808m承臺(tái)下采用樁徑0.8m，樁長(zhǎng)30m的灌注樁，整座煤倉(cāng)的樁數(shù)為216根，故樁的混凝土用量為：V22=π×0.42×30×5預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案分析5.1預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案特點(diǎn)傳統(tǒng)的單元式扶壁柱煤倉(cāng)倉(cāng)體由獨(dú)立單片的扶壁柱式擋土墻沿圓周密排而成，單片扶壁柱式擋土墻結(jié)構(gòu)屬懸臂結(jié)構(gòu)，其倉(cāng)壁為一懸臂板。該結(jié)構(gòu)體系能自由伸縮，可有效降低溫度應(yīng)力，但其結(jié)構(gòu)厚度大，自重大，占地多，用料多，整體性差，經(jīng)濟(jì)性較差。為改善傳統(tǒng)的單元式扶壁柱擋土墻式煤倉(cāng)存在的不足，在倉(cāng)體中間高程范圍和頂部加設(shè)共三道預(yù)應(yīng)力環(huán)索（倉(cāng)壁中部布置兩道，頂部布置一道），用以提高煤倉(cāng)整體性，改善受力性能，減小結(jié)構(gòu)厚度。預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案詳見圖5和圖6。其計(jì)算需在單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案基礎(chǔ)上考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，初步計(jì)算見5.3、5.4節(jié)。5.2混凝土用量計(jì)算倉(cāng)壁的橫截面面積為16.0m2，連梁的橫截面面積為3.5m2。每個(gè)扶壁柱截面面積為29.2m2，厚0.8m；每個(gè)承臺(tái)截面面積12.8m2，寬8.0m。整座煤倉(cāng)的混凝土用量為：V31=(16+3.5)×π×(120+0.3)+(29.2×0.8+12.8×承臺(tái)下采用樁徑0.8m，樁長(zhǎng)30m的灌注樁，整座煤倉(cāng)的樁數(shù)為324根，故樁的混凝土用量為：V32=π×0.42×30×5.3預(yù)應(yīng)力計(jì)算研究表明，煤倉(cāng)內(nèi)最不利堆煤形式為倉(cāng)內(nèi)120°區(qū)域堆煤。中間高度范圍內(nèi)設(shè)置的兩道預(yù)應(yīng)力環(huán)索中的下一道環(huán)索受力最大。假設(shè)堆煤高度為倉(cāng)壁高度，則下一道環(huán)索處（壁頂?shù)较乱坏拉h(huán)索中心距離為13.7m下一道環(huán)索所分擔(dān)的煤壓力的高程范圍可近似取為下環(huán)索到上環(huán)索之間距離的一半與下環(huán)索到下連梁之間距離一半之和，為：進(jìn)行粗略計(jì)算認(rèn)為為下一道環(huán)索所分擔(dān)的煤壓力的高程范圍內(nèi)煤壓力的平均值。把倉(cāng)體中間高程處當(dāng)作一獨(dú)立的圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)圓環(huán)處于平面應(yīng)力狀態(tài)，由煤壓力在圓形煤倉(cāng)中產(chǎn)生的環(huán)向拉力為：5.4預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計(jì)算假定煤倉(cāng)的最不利狀態(tài)為倉(cāng)壁中的拉應(yīng)力剛好為零，即各單片扶壁柱式擋土墻之間的接觸界面上的正應(yīng)力為零，圓環(huán)中的環(huán)向拉力均由預(yù)應(yīng)力鋼絞線來(lái)承擔(dān)。如果選取抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為的鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋，那么需要的鋼絞線面積為：選用公稱直徑最大的鋼絞線，其直徑為15.2mm，那么單根鋼絞線的截面積為：那么為了抵抗煤倉(cāng)的環(huán)向拉力所需要的鋼絞線數(shù)量為：所需預(yù)應(yīng)力鋼絞線的理論重量為：同樣的方法，可的得出上一道預(yù)應(yīng)力環(huán)索和最頂部預(yù)應(yīng)力環(huán)索所需要的預(yù)應(yīng)力鋼絞線為：故所需的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的總重量為：6預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案分析6.1預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案特點(diǎn)預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)是在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)的基礎(chǔ)上，在環(huán)梁內(nèi)加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，來(lái)增加環(huán)梁的作用，減少其他用材。預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)控制倉(cāng)壁的裂縫開展也有很大的作用。預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案詳見圖7和圖8。其計(jì)算需在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案基礎(chǔ)上考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，初步計(jì)算見6.3節(jié)。6.2混凝土用量計(jì)算倉(cāng)壁的橫截面面積為11.6m2，連梁的橫截面面積為2.7m2。每個(gè)扶壁柱截面面積為28.5m2，厚0.8m；每個(gè)承臺(tái)截面面積10.0mV41=(11.6+2.7)×π×(120+0.3)+(28.5×0.8+10×6.4)×36=8529m承臺(tái)下采用樁徑0.8m，樁長(zhǎng)30m的灌注樁，整座煤倉(cāng)的樁數(shù)為216根，故樁的混凝土用量為：V42=π×0.42×30×216=6.3預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計(jì)算在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案中，計(jì)算得出三道（下、上、頂）環(huán)梁所需的HRB400縱向鋼筋依次為：40888mm2、19860mm2、4810mm2。設(shè)想預(yù)應(yīng)力鋼絞線全部承擔(dān)環(huán)梁內(nèi)的拉力，則所需的預(yù)應(yīng)力鋼絞線面積分別為：40888×360/1220=12065mm2、19860×360/1220=5860mm2、4810×360/1220=1419mm2。故所需要的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的總面積為：預(yù)應(yīng)力鋼絞線的總重量為：預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)在預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，必須采用整體張拉方式，以防止扶壁柱單元在不對(duì)稱張拉力作用下發(fā)生變形。但是，直徑120m的圓形煤倉(cāng)的周長(zhǎng)達(dá)376.8m7四種方案綜合比選提出的4種結(jié)構(gòu)方案均可用于圓形煤倉(cāng)的設(shè)計(jì)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面各有優(yōu)劣。7.1技術(shù)性比選7.1.1典型厚壁煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，外形美觀。整個(gè)煤倉(cāng)為同一截面旋轉(zhuǎn)而成，使得施工相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，由于倉(cāng)壁和基礎(chǔ)的厚度都較大，所以在施工時(shí)，大體積混凝土澆注所產(chǎn)生的水化熱太大，是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。而且，厚壁煤倉(cāng)的漸變壁厚使支模難度大大增加，因?yàn)槊慷文０宓那屎痛笮《际亲兓模慷味夹枰M(jìn)行調(diào)整。由于厚壁自重過(guò)大，導(dǎo)致其下部結(jié)構(gòu)的材料用量大。7.1.2環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)方案做為一種新的煤倉(cāng)擋煤墻方案，具有以下幾點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)：（1）通過(guò)改變傳統(tǒng)的厚壁筒倉(cāng)式和扶壁柱單元式的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)扶壁柱、環(huán)梁、側(cè)壁板的整體式梁板結(jié)構(gòu)布置形式。（2）扶壁柱由于受到環(huán)梁的彈性支座式約束作用，從懸臂構(gòu)件轉(zhuǎn)化成了多跨連續(xù)構(gòu)件，這樣扶壁柱受力更為合理，所以設(shè)計(jì)截面可以比普通懸臂式扶壁柱截面小很多。（3）由于底部環(huán)梁的約束作用，扶壁柱底部向外的徑向位移受到限制，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)力大為減小，其設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)。（4）設(shè)計(jì)截面比普通懸臂式和厚壁筒倉(cāng)式截面小很多，節(jié)省了大量混凝土，使施工更易控制水化熱，易于進(jìn)行裂縫控制設(shè)計(jì)。（5）倉(cāng)壁的扶壁柱和環(huán)梁使煤倉(cāng)外形變得復(fù)雜，使得外形更為豐富，更具有結(jié)構(gòu)美。（6）倉(cāng)壁厚度為定值，使得模板在一垂直面上，可無(wú)需修改直接重復(fù)使用，便于施工。7.1.3預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)傳統(tǒng)的單元式扶壁柱煤倉(cāng)倉(cāng)體是由獨(dú)立單片的扶壁柱式擋土墻沿圓周密排而成，單片扶壁柱式擋土墻結(jié)構(gòu)屬懸臂結(jié)構(gòu)，其倉(cāng)壁為一懸臂板。該結(jié)構(gòu)體系能自由伸縮，可有效降低溫度應(yīng)力，但其結(jié)構(gòu)厚度大，自重大，占地多，用料多，整體性差，經(jīng)濟(jì)性較差。為改善傳統(tǒng)單元式扶壁柱擋土墻式煤倉(cāng)存在的不足，在倉(cāng)體中間高程范圍和頂部加設(shè)共三道預(yù)應(yīng)力環(huán)索，分別在倉(cāng)壁中部布置兩道，頂部布置一道，用以提高煤倉(cāng)整體性，改善受力性能，減小結(jié)構(gòu)厚度。預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案中預(yù)應(yīng)力的引入，可以更好的控制倉(cāng)壁混凝土裂縫的開展。但是，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量很大，其張拉的工作量很大，且施工困難。7.1.4預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)是在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)的基礎(chǔ)上，在環(huán)梁內(nèi)加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，來(lái)增加環(huán)梁的作用，減少其他用材。預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)控制倉(cāng)壁的裂縫開展也有很大的作用。同預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)相比，該方案的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量有所減少，但是總量仍然很大，其張拉的工作量很大，且施工困難。綜上所述，預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉(cāng)方案和預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量很大，且施工復(fù)雜。典型厚壁煤倉(cāng)方案中存在水化熱過(guò)大，結(jié)構(gòu)自重大，壁厚漸變使支模難度大大增加，因?yàn)槊慷文０宓那屎痛笮《际亲兓?，每段都需要進(jìn)行調(diào)整。環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉(cāng)方案結(jié)構(gòu)概念清晰，傳力明確，整體性好，材料利用率高，施工方便。7.2經(jīng)濟(jì)性比選根據(jù)第前面所得到的材料用量，結(jié)