田 洲

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山063012； 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山063012)

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，煤炭生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，煤炭儲(chǔ)煤場已由開放式、半封閉的存儲(chǔ)方式逐步向封閉式儲(chǔ)裝方式轉(zhuǎn)變。近年來，各種封閉式儲(chǔ)煤設(shè)施得到了蓬勃發(fā)展與廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)煤場的儲(chǔ)煤形式主要有以下幾種[1]：①半開放式煤場，又稱干煤棚。在我國南方，因雨水較多，大部分煤炭企業(yè)多采用此形式的儲(chǔ)煤場；②大跨度鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤場，又稱網(wǎng)殼(架)式儲(chǔ)煤倉。這類儲(chǔ)煤場由干煤棚結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，屬于全封閉式儲(chǔ)煤方式，是目前煤炭企業(yè)主要采用的儲(chǔ)煤形式之一；③筒形儲(chǔ)煤倉，又稱儲(chǔ)煤筒倉，屬于全封閉式儲(chǔ)煤方式，因儲(chǔ)煤量較少，在大型儲(chǔ)煤場中的應(yīng)用較少，是目前中小型煤炭企業(yè)廣泛使用的儲(chǔ)煤形式；④滑坡倉。由于受到地形限制，這類倉在山區(qū)應(yīng)用比較普遍，在平原地區(qū)使用受限；⑤球形薄殼混凝土倉。這類倉結(jié)構(gòu)造型美觀，多用于體育場、歌劇院等民用建筑(如悉尼歌劇院)，由于其施工難度大、造價(jià)高，在煤礦中應(yīng)用很少。

隨著國家環(huán)保要求日益嚴(yán)格，選煤廠向大型化發(fā)展，露天儲(chǔ)煤場、圓筒倉和方倉已經(jīng)不能適應(yīng)大型選煤廠的需要，封閉式大跨度儲(chǔ)煤場成為選煤廠儲(chǔ)煤環(huán)節(jié)不可或缺的一部分[2]。然而，根據(jù)文獻(xiàn)[3-6]所述，大跨度儲(chǔ)煤場的投資巨大，占選煤廠總投資的20%以上，因此為了降低選煤廠的投資，對大跨度儲(chǔ)煤場的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

1 工程概況

榆林市華瑞郝家梁礦業(yè)有限公司郝家梁煤礦選煤廠位于陜西省榆林市郊區(qū)，生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，其中原煤儲(chǔ)煤場地為4 900 m2，總長度為70 m，寬度為70 m，設(shè)計(jì)要求儲(chǔ)煤容量為3萬t。原煤通過膠帶輸送機(jī)直接運(yùn)至儲(chǔ)煤場后，通過地下輸煤通廊進(jìn)入洗選系統(tǒng)。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期為50 a，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)GB 50583—2010《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，該地區(qū)五十年一遇風(fēng)壓W=0.45 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2，雪荷載為0.45 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)選型

如此龐大的建筑既要保證結(jié)構(gòu)安全可靠、滿足工藝要求，又要獲得最佳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還要保證建筑造型美觀，其結(jié)構(gòu)形式的選取至關(guān)重要[7]。

因該選煤廠地處北方地區(qū)，由于氣候條件和環(huán)保的要求，半開放式煤場不能滿足工程需要；但儲(chǔ)煤容量需達(dá)到3萬t，筒形儲(chǔ)煤倉不能滿足要求，故需采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤場。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤場常見形式有三種[8]：①平板網(wǎng)架式儲(chǔ)煤棚(圖1)。其下部為混凝土柱，上部為平板網(wǎng)架，由于其跨度較大，下部需設(shè)擋土墻，造價(jià)較高；②拱桁架式儲(chǔ)煤棚(圖2)。此結(jié)構(gòu)為拱桁架直接落地，能滿足大跨度的要求，但因跨度較大，造價(jià)也偏高；③球型儲(chǔ)煤棚(圖3)。該類儲(chǔ)煤棚頂部采用球面桁架，下部采用混凝土擋土墻澆筑，由于工藝布置特點(diǎn)，中間采用落煤筒，下部采用地下輸煤通廊方式，桁架一端支撐在落煤筒上，另一端支撐在短柱上，桁架的跨度可以縮至一半，不僅能滿足工藝布置要求，造價(jià)也較低。因此，郝家梁煤礦選煤廠確定原煤存貯采用球型儲(chǔ)煤棚。

圖1 平板網(wǎng)架式儲(chǔ)煤棚結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 拱桁架式儲(chǔ)煤棚結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 荷載取值

(1)恒載。該工程屋面采用彩鋼板和主次屋面檁條體系，屋面上弦恒載取值為0.25 kN/m2，桁架自重由計(jì)算程序自動(dòng)生成，并加入桁架節(jié)點(diǎn)中。

(2)活荷載。球型儲(chǔ)煤場活荷載主要為屋面活荷載和雪荷載，根據(jù)GB 50583—2010《選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用輕質(zhì)屋面的煤棚屋面活荷載為0.5 kN/m2，當(dāng)?shù)匾话倌暌挥龌狙褐禐?.50 kN/m2，當(dāng)屋面坡度>45°時(shí)，可不考慮積灰荷載。

(3)風(fēng)荷載。該地區(qū)五十年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類，根據(jù)GB 50009—2010《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》按封閉式拱形屋面體形系數(shù)取值。

(4)溫差作用。根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況，桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)取設(shè)計(jì)溫差25 ℃。

圖3 球型儲(chǔ)煤場結(jié)構(gòu)示意圖

(5)地震作用。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)，不考慮地震作用，但是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮抗震構(gòu)造措施[9]。

(6)支座條件。邊界條件的選取對桁架結(jié)構(gòu)受力分析起決定性的作用，支座下部結(jié)構(gòu)剛度越大，對桁架的約束越大，桁架的自身內(nèi)力越小，此時(shí)支座下部結(jié)構(gòu)要承受較大的反作用力。因此，下部懸臂支撐的短柱不能作為剛性支座[10]，而應(yīng)按實(shí)際情況考慮下部支撐的剛度，按彈性支座考慮[11]；另一端支撐在落煤筒上，由于落煤筒剛度較大，假定其為剛性支座。

3.2 優(yōu)化分析

在確定結(jié)構(gòu)選型的基礎(chǔ)上，對桁架厚度的取值進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，通過建立多個(gè)不同厚度的模型進(jìn)行試算[12]，得出用鋼量最經(jīng)濟(jì)的高度。不同厚度桁架的用鋼量對比見表1。

表1 桁架厚度與用鋼量對照表

從表1可以看出，5種不同高度的桁架撓度均小于其跨度的1/400(﹤78 mm)；桿件的最大應(yīng)力均﹤215 kN/mm2，表明該結(jié)構(gòu)能滿足正常使用要求。當(dāng)桁架厚度﹤2.5 m時(shí)，隨著桁架厚度的減小，用鋼量急劇增加：當(dāng)桁架厚度為1.5 m時(shí)，桿件截面達(dá)到168 mm×8 mm才能滿足要求；當(dāng)厚度達(dá)到2.5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的用鋼量達(dá)到最低值；當(dāng)厚度超過2.5 m時(shí)，用鋼量又逐漸增加。由此可見，對不同厚度的桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，桿件截面取值變化很大，需經(jīng)多次試算[13]才能確定最優(yōu)桁架厚度[14]。

最終確定桁架的經(jīng)濟(jì)厚度為2.5 m，此時(shí)桁架的最大桿件為146 mm×8 mm，桿件材料采用Q235鋼，桁架(包括檁條)最終用鋼量45 kg/m2，小于桁架結(jié)構(gòu)的用鋼量58 kg/m2。通過優(yōu)化，該工程采用球型儲(chǔ)煤場結(jié)構(gòu)形式[15]既可以得到最佳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，又能夠滿足工藝的需要，且建筑造型美觀。

4 結(jié)論

(1)在大跨度儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)選型涉及到平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)形式的選擇是儲(chǔ)煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期的重要工作之一。

(2)邊界條件的確定是桁架設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的問題，計(jì)算模型中支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)與實(shí)際采用的支座形式保持一致。

(3)球型儲(chǔ)煤場桁架的幾何參數(shù)(包括跨度、桁架厚度、網(wǎng)格數(shù)量)，對整體結(jié)構(gòu)的用鋼量指標(biāo)影響顯著，在結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，盡量選擇經(jīng)濟(jì)合理的幾何參數(shù)。