電廠封閉式圓形煤場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

專題二：封閉式圓形煤場結(jié)構(gòu)優(yōu)化專題報告目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1前言 32煤場工程條件 32.1主要設(shè)計參數(shù) 32.2煤場地質(zhì)條件 93典型厚壁煤倉方案分析 93.1典型厚壁煤倉方案特點 93.2混凝土用量計算 114環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案分析 124.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案特點 124.2混凝土用量計算 145預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉方案分析 145.1預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉方案特點 145.2混凝土用量計算 155.3預(yù)應(yīng)力計算 155.4預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計算 166預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案分析 176.1預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案特點 176.2混凝土用量計算 176.3預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計算 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前言隨著人們對生產(chǎn)生活環(huán)境的要求不斷提高，新建的發(fā)電廠煤場都引入了國外的封閉式圓形煤倉。這種儲煤方式外形美觀，占地少，儲量大，密封性好，100％回取率無浪費，對環(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。國內(nèi)最先引進(jìn)使用的圓形煤倉結(jié)構(gòu)方案是單元式扶壁柱擋土墻煤倉方案。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)計截面過大，且較大的水平位移給基礎(chǔ)設(shè)計帶來很大的難度。為克服上述難度，設(shè)計人員先后在工程中使用了整體式扶壁柱擋土墻煤倉、整體式厚壁圓形煤倉等結(jié)構(gòu)形式。圖1和圖2是目前國內(nèi)典型的120m直徑整體式厚壁圓形煤倉的結(jié)構(gòu)方案。該結(jié)構(gòu)形式盡管比傳統(tǒng)圓形煤倉結(jié)構(gòu)形式（單元式扶壁柱擋土墻煤倉和整體式扶壁柱擋土墻煤倉）有所改進(jìn)，但仍然存在許多問題：如混凝土用量過大；鋼材用量過為了使圓形煤倉的設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)合理，考慮另外一種圓形煤倉結(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直徑圓形煤倉和玖龍紙業(yè)（重慶）有限公司120另外還對圖5和圖6（預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉）、圖7和圖8（預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉）所示的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了綜合分析。通過對圖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)的對比分析，從中找出可用于本工程圓形煤倉設(shè)計的最優(yōu)方案。2煤場工程條件2.1主要設(shè)計參數(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。建筑場地類別：II類；設(shè)計地震分組：第一組；2.2煤場地質(zhì)條件圓形煤場區(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，圓形煤場基礎(chǔ)處理應(yīng)分成煤場堆料部分和環(huán)形擋煤墻基礎(chǔ)兩部分。（1）對于封閉煤場堆料區(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號粘土或8號粉質(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）對于封閉煤場環(huán)形擋煤墻基礎(chǔ)，采用鉆孔灌注樁（D=800mm,樁長約22,以11號中風(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典型厚壁煤倉方案分析3.1典型厚壁煤倉方案特點典型厚壁煤倉方案的優(yōu)點是倉壁外觀平整，施工較方便；缺點是鋼材和混凝土的用量過大，且由于厚壁自重大，導(dǎo)致承臺及基礎(chǔ)的費用高。同時，由于厚壁煤倉混凝土用量大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過程中存在不易控制的水化熱現(xiàn)象，容易在倉壁出現(xiàn)裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用。結(jié)合本工程煤倉壁高20.123m的特點，經(jīng)計算得出最優(yōu)的倉壁底部厚度為1.2m，頂部厚度為0.7圖3.1厚壁煤倉方案模型簡圖圖3.2厚壁煤倉方案豎向應(yīng)力圖圖3.3厚壁煤倉方案環(huán)向應(yīng)力圖圖3.4厚壁煤倉方案變形圖3.2混凝土用量計算倉壁的橫截面面積為18.7m2，承臺的橫截面面積為12.8m2。整座煤倉的混凝土用量為：V11=(18.7+12.8)×π×(120+0.6)=11934m承臺下采用樁徑0.8m，樁長30m的灌注樁，整座煤倉的樁數(shù)為360根，故樁的混凝土用量為：V12=π×0.42×30×360=4環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案分析4.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案特點環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案是一種新型煤倉的結(jié)構(gòu)形式,從一般梁板結(jié)構(gòu)得到啟發(fā),將煤倉混凝土墻壁改為梁板結(jié)構(gòu),考慮到該煤場擋煤墻高度20.13m，相對較高，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，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)計內(nèi)力也大大減小。對于該煤倉方案，設(shè)計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，倉壁厚度為定值，使得模板在一垂直面上，可無需修改直接重復(fù)使用，便于施工。而厚壁煤倉的漸變壁厚使支模難度大大增加，因為每段模板的曲率和大小都是變化的，每段都需要進(jìn)行修改調(diào)整。綜上所述，與典型厚壁圓形煤倉相比，本方案具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實用性，并已成功用于多個竣工電廠煤倉的實際工程中。計算模型和內(nèi)力、變形分布圖如下：圖4.1環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案模型簡圖圖4.2環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案內(nèi)力圖圖4.3環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案應(yīng)力圖4.2混凝土用量計算倉壁的橫截面面積為11.9m2，連梁的橫截面面積為2.8m2。每個扶壁柱截面面積為32.9m2，厚0.8m；每個承臺截面面積V21=(11.9+2.8)×π×(120+0.3)+(32.9×0.8+10×6.4)×36=8808m承臺下采用樁徑0.8m，樁長30m的灌注樁，整座煤倉的樁數(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方案分析5.1預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉方案特點傳統(tǒng)的單元式扶壁柱煤倉倉體由獨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存在的不足，在倉體中間高程范圍和頂部加設(shè)共三道預(yù)應(yīng)力環(huán)索（倉壁中部布置兩道，頂部布置一道），用以提高煤倉整體性，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方案詳見圖5和圖6。其計算需在單元式扶壁柱煤倉方案基礎(chǔ)上考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，初步計算見5.3、5.4節(jié)。5.2混凝土用量計算倉壁的橫截面面積為16.0m2，連梁的橫截面面積為3.5m2。每個扶壁柱截面面積為29.2m2，厚0.8m；每個承臺截面面積12.8m2，寬8.0m。整座煤倉的混凝土用量為：V31=(16+3.5)×π×(120+0.3)+(29.2×0.8+12.8×承臺下采用樁徑0.8m，樁長30m的灌注樁，整座煤倉的樁數(shù)為324根，故樁的混凝土用量為：V32=π×0.42×30×5.3預(yù)應(yīng)力計算研究表明，煤倉內(nèi)最不利堆煤形式為倉內(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。把倉體中間高程處當(dāng)作一獨立的圓環(huán)進(jìn)行計算，此時圓環(huán)處于平面應(yīng)力狀態(tài)，由煤壓力在圓形煤倉中產(chǎn)生的環(huán)向拉力為：5.4預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量計算假定煤倉的最不利狀態(tài)為倉壁中的拉應(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)力鋼絞線來承擔(dān)。如果選取抗拉強(qiáng)度設(shè)計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)梁扶壁柱薄壁煤倉方案分析6.1預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案特點預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉是在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉的基礎(chǔ)上，在環(huán)梁內(nèi)加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，來增加環(huán)梁的作用，減少其他用材。預(yù)應(yīng)力的施加對控制倉壁的裂縫開展也有很大的作用。預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案詳見圖7和圖8。其計算需在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案基礎(chǔ)上考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，初步計算見6.3節(jié)。6.2混凝土用量計算倉壁的橫截面面積為11.6m2，連梁的橫截面面積為2.7m2。每個扶壁柱截面面積為28.5m2，厚0.8m；每個承臺截面面積10.0mV41=(11.6+2.7)×π×(120+0.3)+(28.5×0.8+10×6.4)×36=8529m承臺下采用樁徑0.8m，樁長30m的灌注樁，整座煤倉的樁數(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)力鋼絞線用量計算在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案中，計算得出三道（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)梁扶壁柱薄壁煤倉在預(yù)應(yīng)力張拉時，必須采用整體張拉方式，以防止扶壁柱單元在不對稱張拉力作用下發(fā)生變形。但是，直徑120m的圓形煤倉的周長達(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的設(shè)計，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典型厚壁煤倉結(jié)構(gòu)形式簡單，外形美觀。整個煤倉為同一截面旋轉(zhuǎn)而成，使得施工相對簡單。但是，由于倉壁和基礎(chǔ)的厚度都較大，所以在施工時，大體積混凝土澆注所產(chǎn)生的水化熱太大，是一個很難解決的問題。而且，厚壁煤倉的漸變壁厚使支模難度大大增加，因為每段模板的曲率和大小都是變化的，每段都需要進(jìn)行調(diào)整。由于厚壁自重過大，導(dǎo)致其下部結(jié)構(gòu)的材料用量大。7.1.2環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉結(jié)構(gòu)方案做為一種新的煤倉擋煤墻方案，具有以下幾點技術(shù)特點：（1）通過改變傳統(tǒng)的厚壁筒倉式和扶壁柱單元式的結(jié)構(gòu)形式，實現(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)計內(nèi)力大為減小，其設(shè)計更加容易實現(xiàn)。（4）設(shè)計截面比普通懸臂式和厚壁筒倉式截面小很多，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。（5）倉壁的扶壁柱和環(huán)梁使煤倉外形變得復(fù)雜，使得外形更為豐富，更具有結(jié)構(gòu)美。（6）倉壁厚度為定值，使得模板在一垂直面上，可無需修改直接重復(fù)使用，便于施工。7.1.3預(yù)應(yīng)力單元式扶壁柱煤倉傳統(tǒng)的單元式扶壁柱煤倉倉體是由獨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存在的不足，在倉體中間高程范圍和頂部加設(shè)共三道預(yù)應(yīng)力環(huán)索，分別在倉壁中部布置兩道，頂部布置一道，用以提高煤倉整體性，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方案中預(yù)應(yīng)力的引入，可以更好的控制倉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)梁扶壁柱薄壁煤倉預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉是在環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉的基礎(chǔ)上，在環(huán)梁內(nèi)加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，來增加環(huán)梁的作用，減少其他用材。預(yù)應(yīng)力的施加對控制倉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方案和預(yù)應(yīng)力環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量很大，且施工復(fù)雜。典型厚壁煤倉方案中存在水化熱過大，結(jié)構(gòu)自重大，壁厚漸變使支模難度大大增加，因為每段模板的曲率和大小都是變化的，每段都需要進(jìn)行調(diào)整。環(huán)梁扶壁柱薄壁煤倉方案結(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)