论文部分内容阅读
摘 要：通过对圆煤仓环基、门洞通道上方及地下廊道上方筒壁、顶环梁的受力分析和设计分析，分别提出环基底部、顶部径向配筋方案、环基环向配筋方案、门洞通道上方及地下廊道上方筒壁配筋方案和顶环梁设计方案
关键词：受压区；受拉区；土压力；弯矩；倾覆；桶箍效应；预应力后张法
一、大型圆煤仓结构的设计概况
圆煤仓因其占地面积小、储量大、环保性能好，而广泛被应用于新建燃煤火力发电工程；大部份八十、九十年代建成的干煤棚或露天煤场也纷纷改建为圆煤仓。
在大型燃煤火力发电工程中，圆煤仓工程由筒仓体、网架顶盖、仓顶输煤栈桥、中心柱、地下输煤廊道组成，工程造价约6500万元。筒仓体通常直径为120m，高度为21.0m，是储煤性价比较高的优选设计方案，上部结构形式主要有筒壁式和格构式两种。筒仓体环基一般b×h=6000×1800mm，筒壁高度21.0Om，壁厚1300～800mm由底向顶逐渐变薄。
以下，我们以筒壁式圆煤仓为例，对圆煤仓环基和筒壁设计方案进行分析，并提出优化方案。
二、大型圆煤仓结构设计分析
1.圆煤仓环基设计分析
（1）环基径向设计配筋分析
圆煤仓堆煤如图（1）所示。
圆煤仓筒壁在土（煤）压力作用下，筒壁和环基受力如图（2）所示。堆煤区域筒壁产生向外倾覆的倾向，在筒壁和环基结合处形成巨大弯矩。环基底部在堆煤重力和弯矩共同作用下，环基底部内外侧弯矩为零，中心线位置弯矩最大，如图（3）所示。
以往圆煤仓环基设计，环基径向钢筋不分顶部、底部和筒壁内侧、外侧，对称配筋C25@150，配筋率较高，径向配筋方式并不符合其受力情况和内内力分布。
环基顶部：筒壁中心线以外范围受压、钢筋处于受压区；中心线以内范围受拉，处于受拉区；而以往圆煤仓环基顶面的径向筋均按受拉区受拉区的最大弯矩配置环基顶部径向钢筋，造成筒壁中心线以外环基顶部出现过量配筋而浪费钢筋。
环基底部：环基底面的受力和合理配筋则与顶部相反；而以往圓煤仓环基顶面的径向筋均按环基底部最大弯矩配置底部径向钢筋，造成筒壁中心线以内环基底面出现过量配筋而浪费钢筋。
（2）环基环向设计配筋分析
以往环基环向配筋率也较高，以粤东地区某2×1000 MW燃煤电厂为例， 大部份圆煤仓环基均配置了348C25环向钢筋。环向钢筋总屈服拉力达到T=n*A*fy=348×491×360=6.2×104kN。据了解，以往圆煤仓设计，并未考虑环基外侧土压力、环基与地基静摩擦力、基桩对环基的约束力等有利作用力。我们认为将这三种力与煤的土压力共同组合计算，能使环基的环向设计配筋更加科学，有利于减少环向配筋。
环基外侧回填土对环基计算的影响：环基埋深-2.10m，环基两侧-2.10～-0.20m为回填土，回填土压实系数一般为0.94，环基两侧受到土压力作用，外侧回填土对环基形成了“桶箍”效应，抵消了部分环基的拉力。
环基与地基静摩擦力对环基计算的影响：对于环基天然地基来说，筒壁、环基自重和内侧环基上部的煤重力，使环基底部与地基产生静摩擦力，可抵消部份环基向外的径向力。
环基灌注桩对环基计算的影响：基桩能承受一定的水平力，对环基环向和径向能产生了一定约束，能抵消部份环基拉力。
2.门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计分析
以往设计，门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计与其它筒壁相同。该部份筒壁与其它主体筒壁受力不同，由于圆煤仓内堆煤的随机性和不均衡性，主体筒壁同一位置筒壁在满堆载煤时产生向外倾覆倾向，当该位置煤被掏空时，其它位置堆满煤，该位置筒壁便产生向内倾覆倾向。也就是说，主体筒壁内外侧均为时而受拉时而受压。因此筒壁内外侧均需按弯矩配置钢筋。
然而，圆煤仓内门洞通道两侧及上方、地下廊道上方约90～100度圆心角范围不能堆煤，筒壁没有土（煤）压力，筒壁环向仅堆煤部份筒壁环向钢筋传来的“桶箍”拉应力，使筒壁产生向内侧倾覆倾向和水平剪力；此时，筒壁外侧钢筋竖筋受拉，内侧竖筋受压，除外侧竖筋按受力配置以外，其它竖向钢筋可按剪力和构造配置；筒壁环向应力在门洞通道及应急卸煤口约90～100度圆心角范围筒壁在交界处开始往90～100度圆心角筒壁中心逐步减少至零，环向筋可按受力配置逐渐过渡至按构造配置。
3.顶环梁设计分析
无论是圆筒式还是格构式圆煤仓，都必须设计顶环梁，顶环梁是圆煤仓顶部的重要受力构件，对圆煤仓顶部起到“桶箍”效应，受力方式可简化为轴心受拉。A120×21.3m圆煤仓顶环梁，一般b×h=2500×800mm，环向钢筋配置96C25，约140t，配筋率2.3%。
从科学合理、高效节能的角度分析，顶环梁设计采用预应力后张法（有粘结）方案，能有效减小截面尺寸，大大减少配筋量和砼工程量，从而降低投资。
三、大型圆煤仓设计方案优化
根据上述分析，我们建议大型圆煤仓设计应紧密结合其结构特点、受力方式、内力分布，科学设计，降低投资、节省资源。
1.环基径向配筋设计
1）环基底部径向配筋：环基内侧底部按受压区配置构造钢筋，外侧底部按受拉区最大弯矩配筋。由于外侧底部由内往外弯矩由最大逐渐减小至零，底部外侧径向钢筋伸至0.9b位置。
2）环基顶部径向配筋：环基顶部受力方式和内力分布相反，应按底部相反方式配筋。
2.环基环向配筋设计
对环基外侧土压力、环基与地基静摩擦力、基桩对环基的约束力与筒壁传来的荷载进行优化组合，最大限度减少环向钢筋配置。
3. 门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计
门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁外侧钢筋竖筋除外侧竖筋按受力配置以外，其它竖向钢筋可按构造配置；筒壁环向应力在门洞通道及应急卸煤口约90～100度圆心角范围筒壁在交界处开始往90～100度圆心角筒壁中心逐步减少至零，环向筋可按受力配置过渡至按构造配置。
4. 顶环梁设计
顶环梁圆弧周长约380m，建议采用预应力后张法（有粘结）方案。由于圆弧周长太长，顶环梁可分成多个张拉段。
关键词：受压区；受拉区；土压力；弯矩；倾覆；桶箍效应；预应力后张法
一、大型圆煤仓结构的设计概况
圆煤仓因其占地面积小、储量大、环保性能好，而广泛被应用于新建燃煤火力发电工程；大部份八十、九十年代建成的干煤棚或露天煤场也纷纷改建为圆煤仓。
在大型燃煤火力发电工程中，圆煤仓工程由筒仓体、网架顶盖、仓顶输煤栈桥、中心柱、地下输煤廊道组成，工程造价约6500万元。筒仓体通常直径为120m，高度为21.0m，是储煤性价比较高的优选设计方案，上部结构形式主要有筒壁式和格构式两种。筒仓体环基一般b×h=6000×1800mm，筒壁高度21.0Om，壁厚1300～800mm由底向顶逐渐变薄。
以下，我们以筒壁式圆煤仓为例，对圆煤仓环基和筒壁设计方案进行分析，并提出优化方案。
二、大型圆煤仓结构设计分析
1.圆煤仓环基设计分析
（1）环基径向设计配筋分析
圆煤仓堆煤如图（1）所示。
圆煤仓筒壁在土（煤）压力作用下，筒壁和环基受力如图（2）所示。堆煤区域筒壁产生向外倾覆的倾向，在筒壁和环基结合处形成巨大弯矩。环基底部在堆煤重力和弯矩共同作用下，环基底部内外侧弯矩为零，中心线位置弯矩最大，如图（3）所示。
以往圆煤仓环基设计，环基径向钢筋不分顶部、底部和筒壁内侧、外侧，对称配筋C25@150，配筋率较高，径向配筋方式并不符合其受力情况和内内力分布。
环基顶部：筒壁中心线以外范围受压、钢筋处于受压区；中心线以内范围受拉，处于受拉区；而以往圆煤仓环基顶面的径向筋均按受拉区受拉区的最大弯矩配置环基顶部径向钢筋，造成筒壁中心线以外环基顶部出现过量配筋而浪费钢筋。
环基底部：环基底面的受力和合理配筋则与顶部相反；而以往圓煤仓环基顶面的径向筋均按环基底部最大弯矩配置底部径向钢筋，造成筒壁中心线以内环基底面出现过量配筋而浪费钢筋。
（2）环基环向设计配筋分析
以往环基环向配筋率也较高，以粤东地区某2×1000 MW燃煤电厂为例， 大部份圆煤仓环基均配置了348C25环向钢筋。环向钢筋总屈服拉力达到T=n*A*fy=348×491×360=6.2×104kN。据了解，以往圆煤仓设计，并未考虑环基外侧土压力、环基与地基静摩擦力、基桩对环基的约束力等有利作用力。我们认为将这三种力与煤的土压力共同组合计算，能使环基的环向设计配筋更加科学，有利于减少环向配筋。
环基外侧回填土对环基计算的影响：环基埋深-2.10m，环基两侧-2.10～-0.20m为回填土，回填土压实系数一般为0.94，环基两侧受到土压力作用，外侧回填土对环基形成了“桶箍”效应，抵消了部分环基的拉力。
环基与地基静摩擦力对环基计算的影响：对于环基天然地基来说，筒壁、环基自重和内侧环基上部的煤重力，使环基底部与地基产生静摩擦力，可抵消部份环基向外的径向力。
环基灌注桩对环基计算的影响：基桩能承受一定的水平力，对环基环向和径向能产生了一定约束，能抵消部份环基拉力。
2.门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计分析
以往设计，门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计与其它筒壁相同。该部份筒壁与其它主体筒壁受力不同，由于圆煤仓内堆煤的随机性和不均衡性，主体筒壁同一位置筒壁在满堆载煤时产生向外倾覆倾向，当该位置煤被掏空时，其它位置堆满煤，该位置筒壁便产生向内倾覆倾向。也就是说，主体筒壁内外侧均为时而受拉时而受压。因此筒壁内外侧均需按弯矩配置钢筋。
然而，圆煤仓内门洞通道两侧及上方、地下廊道上方约90～100度圆心角范围不能堆煤，筒壁没有土（煤）压力，筒壁环向仅堆煤部份筒壁环向钢筋传来的“桶箍”拉应力，使筒壁产生向内侧倾覆倾向和水平剪力；此时，筒壁外侧钢筋竖筋受拉，内侧竖筋受压，除外侧竖筋按受力配置以外，其它竖向钢筋可按剪力和构造配置；筒壁环向应力在门洞通道及应急卸煤口约90～100度圆心角范围筒壁在交界处开始往90～100度圆心角筒壁中心逐步减少至零，环向筋可按受力配置逐渐过渡至按构造配置。
3.顶环梁设计分析
无论是圆筒式还是格构式圆煤仓，都必须设计顶环梁，顶环梁是圆煤仓顶部的重要受力构件，对圆煤仓顶部起到“桶箍”效应，受力方式可简化为轴心受拉。A120×21.3m圆煤仓顶环梁，一般b×h=2500×800mm，环向钢筋配置96C25，约140t，配筋率2.3%。
从科学合理、高效节能的角度分析，顶环梁设计采用预应力后张法（有粘结）方案，能有效减小截面尺寸，大大减少配筋量和砼工程量，从而降低投资。
三、大型圆煤仓设计方案优化
根据上述分析，我们建议大型圆煤仓设计应紧密结合其结构特点、受力方式、内力分布，科学设计，降低投资、节省资源。
1.环基径向配筋设计
1）环基底部径向配筋：环基内侧底部按受压区配置构造钢筋，外侧底部按受拉区最大弯矩配筋。由于外侧底部由内往外弯矩由最大逐渐减小至零，底部外侧径向钢筋伸至0.9b位置。
2）环基顶部径向配筋：环基顶部受力方式和内力分布相反，应按底部相反方式配筋。
2.环基环向配筋设计
对环基外侧土压力、环基与地基静摩擦力、基桩对环基的约束力与筒壁传来的荷载进行优化组合，最大限度减少环向钢筋配置。
3. 门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁设计
门洞通道两侧及上方、地下廊道上方筒壁外侧钢筋竖筋除外侧竖筋按受力配置以外，其它竖向钢筋可按构造配置；筒壁环向应力在门洞通道及应急卸煤口约90～100度圆心角范围筒壁在交界处开始往90～100度圆心角筒壁中心逐步减少至零，环向筋可按受力配置过渡至按构造配置。
4. 顶环梁设计
顶环梁圆弧周长约380m，建议采用预应力后张法（有粘结）方案。由于圆弧周长太长，顶环梁可分成多个张拉段。