大型贮煤筒仓设计中的几个问题

一、概述

　　大直径筒仓形式的封闭煤场是火力发电厂贮煤的发展方向，它具有占地面积小、运行方式简单、系统调度灵活、不会对环境造成影响和有利于降低贮煤损耗等突出的优点。福建漳州后石电厂和浙江宁海电厂先后建成了直径为120m的超大型筒仓，其结构形式是沿环向每隔一定距离设置了竖直温度缝，筒仓被分隔成一个个受力相互独立的挡煤墙，为抵抗煤压力产生的水平推力，挡煤墙背后设计了结构尺寸很大的扶壁柱，挡煤墙结构按挡土墙设计方法进行设计。

　　武汉大学土建学院和广东电力设计院提出整体式贮煤筒仓的设计理念，即在沿筒仓壁环向不设竖直温度缝，充分利用混凝土仓壁环向钢筋承担煤压力和上部屋面网架结构所产生的水平推力，这样可以取消扶壁柱结构，有效地减小仓壁截面尺寸，桩基以及地基基础的工程量，从而获得巨大的经济效益，这一方案已在广东汕尾电厂实施。广东河源电厂也将采用此方案。

　　对于整体式混凝土贮煤筒仓，堆煤引起的内壁温度上升与外部大气温度之间形成的温差，是结构的主要荷载之一，然而，这方面的资料非常有限。贮煤筒仓结构的另外一个主要荷载是堆煤侧压力，其大小主要和煤的容重、内摩擦角以及煤和仓壁之间的摩擦系数等相关。库伦土压力公式是针对平面应变问题提出的，但现在的问题是轴对称问题，显然不适用。现行《钢筋混凝土筒仓设计规范》和文献[3]在确定侧压力时虽然考虑了轴对称的特点，但没有考虑堆料与混凝土壁的摩擦力，且认为堆料最高点位于筒仓中心轴线上，实际上，大型筒仓受堆煤设备与工艺的限制，堆煤最高点通常位于筒仓中心轴线和仓壁之间且靠近仓壁的位置，直接应用这些公式也不合理。为了合理地确定仓壁内外温差和堆煤侧压力这两个主要荷载，使筒仓设计建立在充分可靠的依据上，采用现场实测十分必要。我们将实测现场选择在浙江宁海电厂的1#圆形筒仓内，该筒仓直径120m、高20m，仓壁为钢筋混凝土结构，沿环向每隔10m设置竖向缝，上部为空间球形网架结构，高43m，所贮存的煤为陕西神府煤。实测内容包括：（1）堆煤后筒仓内壁不同高度处的温度随堆煤时间变化情况；（2）煤对仓内壁的侧压力沿高度分布情况。通过将实测数据进行整理，并结合相关的理论分析，最终确定设计荷载，为科学合理地设计超大型贮煤筒仓提供依据。

　　我们进行的另一项研究工作是，对于初步设计的结构尺寸和基础型式，建立包括筒仓、基础承台、桩基和周围土体在内的三维有限元模型，使用现场实测的荷载数据，进行细致的计算分析，内容主要如下：

　　（1）主要荷载作用下的温度场、应力场和变形分布。包括：堆煤的煤压力作用，筒仓内的应力场和变形；堆煤运行时，在内外温差作用下，仓壁内产生的应力场和变形；季节温度变化引起的应力场和变形；这些荷载组合工况下的内力、变形和配筋等。

　　（2）筒仓厚度优化计算

　　选择不同的壁厚结构尺寸在各种控制工况下进行计算分析，比较内力分布和材料用量，达到优化壁 厚设计的目的。

　　（3）基础设计计算

　　在上述控制荷载工况，包括半边堆煤工况作用，计算分析堆煤场区的沉降变形和水平侧向位移，以及它们对桩基的内力和变形的影响，从而确定桩基的类型、尺寸及数量和堆煤区是否需要打桩。

二、内外温差和堆煤压力测试结果

　　温度变化量测方法是沿筒仓内壁一定范围内不同高度布置温度传感器，具体布置为：在相对筒仓入口约180º～190º之间的内壁布置三列温度传感器，每列的环向间距均为5m，每列均沿高度布置5个温度传感器，分别在相对仓内地面0m、4m、8m、12m和16m高度处。当堆煤达到预定高度后，开始读数纪录，一天记录四次，连续记录42天。

　　压力变化量测方法是沿筒仓内壁不同高度布置压力传感器，具体为：在相对筒仓入口约195º处的仓壁沿高度布置一列压力传感器，从仓内地面0m高程开始每隔2m一个，共8个。待堆煤达到指定高度后，开始读数，一天记录1次，连续记录5天。

　　堆煤开始时各传感器温度在27℃左右。随着堆煤时间，温度不断上升，煤场底部由于受地表温度影响，上升幅度较小，在6周内，上升2-4℃，在堆煤高度的中部温度上升幅度最大，6周内上升了9-11℃，达到37-38℃，靠近上表面的温度上升幅度比中部略小。在堆煤初期，温度上升速度稍快，整个量测期间的平均上升速度为0.24℃/天。

　　观测期间大气环境平均温度为29℃，因此，仓壁内外温度差在10℃以内。在堆煤的第42天（即观测就要结束的当天），堆煤场的中心区域发生局部煤自燃，这时，传感器的温度并没有异常变化，这说明自燃是局部的，并没有影响到边壁。

　　将同一压力测点中各次量测中的读数进行平均，再按照厂家提供的传感器标定公式算出侧压力值，见表1。假定侧压力沿高度呈线性变化，并符合下面的计算公式p=Kγh，式中p是任意一点的侧压力，h是仓壁处煤堆表面到该点的深度，K是侧压力系数，γ是煤的容重，为10kN/m³。根据该式换算得到的侧压力系数，也列入表1。

表1 各测点的压力值与侧压力系数

测点高程（m）	0	2	4	6	8	10	12	14
侧压力p（MPa）	0.0847	0.0795	0.0706	0.0573	0.0499	0.0455	0.0329	0.0218
侧压力系数K	0.446	0.468	0.471	0.441	0.453	0.505	0.470	0.436

　　使用表1的数据，绘出侧压力随仓壁处堆煤高度的变化曲线，则基本呈线性变化。平均侧压力系数为0.46。

三、有限元分析及其结果

　　有限元计算分析以广东河源电厂贮煤筒仓为背景。根据初步设计论证，拟定筒仓竖向断面如图3所示。承台与仓壁均为环向360°连续设置。筒仓内径为120m，仓壁下部厚1.1m，上部厚0.7m，厚度自下而上按线性规律变化；内堆煤最大高度为18m。承台厚度为1.8m，宽度为5.7m；承台下沿径向设两排桩，桩沿环向间隔3°，共计240根，桩的直径为1m，桩长为25m；上部圈梁高度为0.8m，宽度为0.9m；为考虑基础土体对桩基、承台和仓壁的受力影响，承台下土体在深度方向向下取30m，在水平方向从仓壁内表面开始，沿径向内侧取40m，外侧沿径向向外取25m。将堆煤简化为对仓壁和基础的荷载，不直接对其进行模拟。

图1 筒仓横截面图

　　根据问题的对称性，截取9º扇形区域（包含3列桩）进行计算。建立有限元模型时，先在平面内建立如图1所示筒仓壁、承台及其基础土层分布的竖向断面，再将该断面绕筒仓中心对称轴旋转成9°体。然后在承台下有桩的位置建立圆柱桩，通过扫掠划分网格的方式，使用三维实体单元依次划分圈梁、仓壁、承台、桩与土层。

　　1. 材料参数

　　煤的重力密度：γ=10kN/m³；煤的内摩擦角：φ=38°

　　煤与混凝土壁的摩擦系数：μ=0.5～0.6

　　混凝土标号：C30

　　混凝土弹性模量：E_c=3.0E+04MPa；混凝土泊松比：μ_c=0.2

　　混凝土的线膨胀系数：α_c=0.00001

　　煤场地基土层从上至下模拟为4层：

　　第1层：回填土，层厚h₁=9m，弹性模量E₁=12MPa，泊松比μ₁=0.2

　　第2层：砂石，层厚h₂=3.5m，弹性模量E₂=6.4MPa，泊松比μ₂=0.3

　　第3层：卵砾石，层厚h₃=4.5m，弹性模量E₃=20MPa，泊松比μ₃=0.25

　　第4层：砂砾岩，层厚h₄=13m，弹性模量E₄=1.5E+0.4MPa，泊松比μ₄=0.25。

　　为了较真实地模拟桩的内力分布，我们考虑了土的塑性，土与桩之间的相互摩擦作用以及大变形等因素。

　　2. 荷载

　　根据结构受力特性，计算方案考虑的荷载主要有以下几种：

　　（1）堆煤压力。堆煤压力包括作用在仓壁的侧向压力和作用在煤场区基础土层的竖向压力。

　　侧向压力：根据实测结果，侧压力系数K=0.46，按照修正的库仑公式（考虑问题的轴对称性）计算所得的值稍小，为K=0.434，计算时取后者。竖向压力：竖向堆煤压力作为均布面荷载施加到堆煤场土层表面。

　　（2）筒仓内外壁温差。筒仓外壁温度取决于环境温度，内部温度取决于堆煤温度。根据实测结果，内壁温度取为38℃，外壁面温度，则根据当地气象资料，取为12℃，内外壁温差为26℃。

　　（3）季节性温差：根据当地的气象资料确定。根据当地常年的气象资料，季节温差取为13℃。

　　3. 结果及其分析

　　使用上面的参数，进行了有限元分析并计算了配筋，得到主要结果如下：

　　（1）筒壁环向的受力状态：在堆煤压力季节以及温升、温降作用下，主要受轴力作用，弯矩非常小；在内外壁温差的情况下，既有轴力作用，又有弯矩作用。仓壁环向轴力主要来自于堆煤压力，其绝对值占的比重约为80%。在季节温升以及内外壁温差情况下，仓壁均产生环向压力，与堆煤作用下产生的环向轴力反向。而季节温降情况下仓壁产生的环向轴力与煤压方向相同，因此在季节温降和堆煤压力组合作用下的环向轴力为最大。

　　仓壁竖向的受力状态：在堆煤压力和温度荷载下，主要受弯矩作用，轴力均接近零，且竖向弯矩主要由煤压以及内外壁温差产生。

　　（2）从各主要荷载单独作用的情况来看，仓壁的环向配筋由内外壁温差和煤压力控制，其中内外壁温差所需配筋是煤压力所需配筋的1.38倍，可见内外壁温差对于整体筒仓的影响很大，应引起足够重视；仓壁的竖向配筋也由内外壁温差和煤压力控制，其中内外壁温差所需配筋是煤压力所需配筋的4.72倍，即内外壁温差对竖向配筋起决定性控制作用，是筒仓水平截面的竖向配筋的主要因素。水平截面的竖向配筋受季节温差的影响较小，不起控制作用。

　　（3）从主要荷载组合工况的作用下，仓壁的环向配筋由内外壁温差和煤压力共同作用的工况控制，全截面平均配筋率为1.33%，其中煤压单独作用时的平均配筋率为0.77%（占58%），内外壁温差引起的内力所需配筋为0.55%（占42%），这说明由于内外壁温差的存在，导致全截面配筋率（相对于煤压单独作用时）增加71%；环向截面配筋在季节温降作用下，配筋率相对于单独煤压作用下增加0.06%（增幅21%），但季节温升和煤压共同作用下，配筋率反而比煤压单独作用下小0.06%（减幅21%），说明季节温升对仓壁是有利的。

　　（4）仓壁的竖向配筋也由内外壁温差和煤压力共同作用的工况控制，全截面平均配筋率为0.55%，其中煤压单独作用时的平均配筋率为0.28%（占51%），内外壁温差引起的内力所需配筋为0.27%（占49%），这说明由于内外壁温差的存在，导致全截面配筋率（相对于煤压单独作用时）增加95%。竖向配筋在季节温差和煤压共同作用下配筋率为0.28%，与煤压单独作用下的配筋率相同，说明竖向配筋率基本不受季节温升和季节温降影响，主要受内外壁温差和煤压的影响。

　　（5）受堆煤区煤压力的作用，基础土体产生较大的沉降和水平径向位移，使得承台下内侧桩受到较大的负摩擦力和水平推力，从而具有较大的轴力和弯矩，计算表明，轴力达3900kN，弯矩达1590kNm，因此，需要适当加大配筋率。但是，由于堆煤区内不设桩，经济效益将非常显著。