苗 毅，王 軒，林少波

( 中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200333)

0 引言

近年來，隨著火力發(fā)電廠機(jī)組、規(guī)模的擴(kuò)大及國內(nèi)環(huán)保要求的逐漸提高，對(duì)火力發(fā)電廠煤場(chǎng)方案的場(chǎng)地利用率和封閉效率也提出了更高的要求。歐羅倉方案作為已有應(yīng)用實(shí)例的國外先進(jìn)封閉煤場(chǎng)方案，在場(chǎng)地利用率與封閉效果方面都具有優(yōu)勢(shì)，可以作為國內(nèi)新建、改造煤場(chǎng)項(xiàng)目極具競(jìng)爭(zhēng)力備選方案之一。

歐羅倉是一種獨(dú)有的筒倉系統(tǒng)。目前世界各地已有超過120 套歐羅倉系統(tǒng)正在運(yùn)行中，有應(yīng)用業(yè)績(jī)的歐羅倉最大容積為1×105m3[1]。對(duì)于火力發(fā)電廠儲(chǔ)煤系統(tǒng)來說，一座歐羅倉的倉儲(chǔ)量可以達(dá)到10 萬t，占地面積卻大約為圓形煤廠的三分之一、條形煤場(chǎng)的六分之一。相較于傳統(tǒng)的露天煤場(chǎng)、半封閉煤場(chǎng)或者圓形煤場(chǎng)，歐羅倉的倉體封閉效果更好，對(duì)周圍環(huán)境影響幾乎可以忽略不計(jì)。

本文主要對(duì)比和分析了在軟土地基上建設(shè)的歐羅倉工程A 和九度地震區(qū)上建設(shè)的歐羅倉工程B。工程A 和工程B 均為應(yīng)用在火力發(fā)電廠內(nèi)儲(chǔ)量為10 萬t 的歐羅倉。倉內(nèi)凈高60 m，內(nèi)徑55 m，最高堆煤高度45 m。工程A 埋深約-9 m，工程B 埋深約-22 m。經(jīng)過兩個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，筆者發(fā)現(xiàn)，由于歐羅倉體量大、堆煤高度高，運(yùn)行要求高，明顯不同于一般的筒倉結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在許多關(guān)鍵性的問題，希望引起結(jié)構(gòu)工程師們的重視。

1 荷載取值

1.1 工藝荷載

圖1 為歐羅倉廠家提供的歐羅倉典型荷載。分為考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力的荷載工況1和不考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力荷載工況2。主要包括貯料(煤)對(duì)倉壁和底板產(chǎn)生的壓力、摩擦力，對(duì)卸料口產(chǎn)生的壓力，螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行荷載等。

圖1 歐羅倉廠家提供的歐羅倉典型荷載

需要注意的是，由于倉內(nèi)物料一直處于流動(dòng)狀態(tài)，無法形成有效的土拱，筒倉底部廊道頂板荷載不能折減，必須按照實(shí)際駐煤高度進(jìn)行考慮。廊道頂板厚度亦應(yīng)根據(jù)堆煤荷載產(chǎn)生的剪力確定。倘若受剪承載力無法滿足，應(yīng)在廊道頂板內(nèi)配置在箍筋、彎起鋼筋或局部加腋。

1.2 溫度荷載

筒倉的溫度荷載主要包括季節(jié)溫差、倉壁內(nèi)外溫差及日照溫差等。由于目前國內(nèi)火力發(fā)電行業(yè)上大壓小的特點(diǎn)，火力發(fā)電廠如果選擇歐羅倉作為儲(chǔ)煤方案，那么基本會(huì)選擇其工藝系統(tǒng)允許的最大容積。在這種情況下，由于煤炭緩慢氧化自發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度效應(yīng)無法忽視。倘若煤倉恰好處于寒冷地區(qū)，由溫度產(chǎn)生巨大的附加彎矩和軸向拉力，將會(huì)成為控制結(jié)構(gòu)體系安全與造價(jià)的關(guān)鍵所在。

由于之前歐羅倉體系在我國火力發(fā)電行業(yè)中未曾有過應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)和工藝專業(yè)對(duì)歐羅倉溫度荷載的取值也存在一定的爭(zhēng)議。根據(jù)歐羅倉廠家和工藝專業(yè)提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，歐羅倉中心點(diǎn)卸料時(shí)卸料口的溫度可能高達(dá)80℃。由于之前并無同類工程，缺乏筒壁處的溫度監(jiān)控，倘若按此溫度對(duì)筒壁進(jìn)行設(shè)計(jì)，無疑對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性造成巨大的影響。設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過結(jié)構(gòu)專業(yè)與工藝專業(yè)進(jìn)行多次的探討與研究，最終達(dá)成共識(shí)，考慮歐羅倉系統(tǒng)本身為一個(gè)封閉系統(tǒng)，內(nèi)部處于缺氧環(huán)境，且歐羅倉系統(tǒng)本身在底部已經(jīng)設(shè)置了惰性氣體保護(hù)措施(注氮系統(tǒng))削弱煤炭的自氧化，與歐羅倉筒壁接觸的貯料溫度不應(yīng)超過同條件下的圓形煤場(chǎng)堆煤溫度荷載。故在缺乏實(shí)測(cè)參數(shù)的情況下，可取同類型圓形煤場(chǎng)筒壁溫度荷載作為歐羅倉筒壁內(nèi)側(cè)的溫度荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另一方面，我國的鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)不同類型的溫度荷載及結(jié)構(gòu)體系的不同要求，允許對(duì)筒倉鋼筋混凝土乘以不同的折減系數(shù)。建議由季節(jié)溫差產(chǎn)生的剛度折減系數(shù)為0.20 ～0.50；筒壁內(nèi)外溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，剛度折減系數(shù)取0.65。同時(shí)，考慮筒壁外表面的季節(jié)傳熱系數(shù)[2]，可以將冬季最不利溫差工況的筒壁溫差降低5 ～10℃。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 主體結(jié)構(gòu)

歐羅倉倉壁是一種薄殼結(jié)構(gòu)，正常使用工況下起主導(dǎo)作用的內(nèi)力為沿筒壁環(huán)向均勻分布的軸向拉力。GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中建議，對(duì)于直徑大于21 m 無法滿足正常使用極限狀態(tài)的倉壁可采用預(yù)應(yīng)力鋼筋[3]。但實(shí)際上，對(duì)于大型落地式筒倉來說，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系雖然可以有效降低沿筒壁環(huán)向的軸向拉應(yīng)力，但是也對(duì)筒壁的裂縫和溫度效應(yīng)提出了更高的要求，經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)十分微弱，且預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)施工工藝和工期都有了額外的限制。另一方面，雖然在GB 50191—2012《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》中提到，6 ～8度時(shí)，對(duì)于筒承式圓形筒倉倉壁與倉底整體連接時(shí)，倉壁、倉底可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算[4]，但歐羅倉結(jié)構(gòu)作為大型落地筒倉，直徑、高度、容量都超過了一般筒倉的范疇，地震作用無法忽略。由于預(yù)應(yīng)力鋼筋不適合作為抗震鋼筋，經(jīng)過多方考量，建議仍選用一般的鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)。其典型斷面，如下圖2 所示。

圖2 歐羅倉結(jié)構(gòu)典型斷面圖

2.2 倉頂結(jié)構(gòu)

歐羅倉倉頂?shù)臈蜃鳛橹饕M(jìn)煤通道，下方懸掛的螺旋輸送機(jī)重達(dá)上百噸。作為主要設(shè)備，螺旋輸送機(jī)對(duì)于上部棧橋的撓度提出了很高的要求。根據(jù)廠家提供的資料，要求筒倉廊道和屋頂可變荷載的允許撓度最大為2 cm ，靜載荷下的允許撓度最大為6 cm。歐羅倉直徑約為60 m，所以靜載下的撓度要求約為1/1 000，遠(yuǎn)高于一般建筑結(jié)構(gòu)的變形要求。

設(shè)計(jì)歐羅倉頂棧橋的過程中，筆者采取了幾種方案進(jìn)行對(duì)比來降低結(jié)構(gòu)的撓曲變形，如圖3 所示。在方案的比對(duì)中發(fā)現(xiàn)，支腿處增加的斜撐可以顯著降低倉頂棧橋的跨中變形，降低跨中彎矩。雙層桁架布置和下沉式布置的共同點(diǎn)是，倉頂橋面層下方可設(shè)置為電纜層，電纜鋪設(shè)較為方便。這兩種方案適用于橋面距離設(shè)備高差較大的情況。如果橋面與倉頂距離較為緊張，則可采取上翻式布置。筆者在不同工程中分別根據(jù)實(shí)際工程的特點(diǎn)分別采用了雙層桁架和上翻式布置。此時(shí)，倉頂棧橋不再是簡(jiǎn)支梁體系，而變?yōu)轭愃朴诠皹虻氖軌后w系，棧橋支座處產(chǎn)生了較為可觀的水平推力。筒倉結(jié)構(gòu)屬薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)于面外的水平推力較為敏感。因此，在筒倉頂部設(shè)置了大截面的圈梁，以增強(qiáng)筒倉局部的整體剛度。同時(shí)，采用魚骨式屋架布置，如圖4 所示，將屋面梁與圈梁可靠連接，經(jīng)過計(jì)算，相比于放射式布置，能顯著減小屋面的變形和減小水平力產(chǎn)生的局部彎矩。需要注意的是，由于歐羅倉直徑較大，倉壁剛度有限，如果將倉頂廊道及屋面與倉壁分開計(jì)算，將會(huì)高估歐羅倉本體的剛度，使得計(jì)算撓度偏小。所以在進(jìn)行電算時(shí)，不應(yīng)將歐羅倉倉頂結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)分別計(jì)算。另外，采用斜撐設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)棧橋柱腳需要考慮施工吊裝的過程對(duì)采用抗剪鍵或抗剪埋件的柱腳做特殊的構(gòu)造處理，保證水平力的安全傳遞。

圖4 屋面結(jié)構(gòu)形式

2.3 地基處理

10 萬立方米的歐羅倉最大儲(chǔ)煤高度大約為45 m，煤的天然密度約為1.1 t/m3。根據(jù)簡(jiǎn)單計(jì)算，考慮底板自重，歐羅倉下持力層的承載力應(yīng)至少為500 kN/m2。歐羅倉高度約為60 m，直徑約為55 m，雖然直徑很大，但是依然屬于深倉的范疇，倉壁必須考慮貯料產(chǎn)生的豎向摩擦力。地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，考慮此豎向摩擦力后，正常使用狀態(tài)下的筒壁環(huán)基局部地基承載力要求大約達(dá)到倉底的一倍，約為700 ～1 100 kN/m2，如圖5 所示。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般經(jīng)驗(yàn)上來說，僅有中風(fēng)化以下的基巖和埋深很深的的砂土、碎石土能夠作為天然地基滿足承載力的要求。

圖5 恒載+活載工況下的基礎(chǔ)壓力云圖

對(duì)于實(shí)際工程而言，筆者承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)的兩個(gè)工程，工程A 位于軟土地基上，天然基地承載力不足100 kPa；工程B 位于九度地震區(qū)，持力層情況較好，約為600 ～800 kPa，但根據(jù)前期的初步計(jì)算，地震工況下地基承載力進(jìn)一步提高到了不小于1 200 ～1 300 kPa。地基基礎(chǔ)最大反力出現(xiàn)在環(huán)基及地下廊道的兩端。經(jīng)過考量，工程A 最終采用樁端后注漿方式提高單樁承載力，樁間距大約2.4 m，單樁承載力大約6 000 kN。工程B 將歐羅倉埋深加深，最深處約為20 m，同時(shí)提高回填土回填要求，加強(qiáng)回填土對(duì)倉壁的側(cè)向約束作用，降低地震作用的危害。

2.4 抗震設(shè)計(jì)

GB 50191—2012《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》中建議，6 ～8 度時(shí)，對(duì)于筒承式圓形筒倉倉壁與倉底整體連接時(shí)，倉壁、倉底可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算[4]。條文說明的解釋為“當(dāng)開洞面積在控制范圍內(nèi)時(shí)，筒壁與倉底連接的筒壁支承筒倉，剛度大并具有良好的抗震性能?！钡珰W羅倉由于高度高、容積大，倘若將貯料作為均勻分布的質(zhì)量點(diǎn)施加在倉壁上，將會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性力。

以工程B 為例，根據(jù)計(jì)算，歐羅倉結(jié)構(gòu)的周期約為1.4 s，場(chǎng)地特征周期0.4 s，9 度區(qū)的多遇地震水平影響系數(shù)最大值為0.32。根據(jù)底部剪力法估算，僅貯料產(chǎn)生的水平地震剪力為(0.4 s/1.4 s)0.9×0.32g×105m3×1.1 t/m3≈105kN，產(chǎn)生的傾覆力矩約為3×106kN·m。歐羅倉直徑約為55 m，初步估算，由地震傾覆力矩產(chǎn)生的附加基地反力約為200 ～300 kPa。由于局部廊道對(duì)荷載的吸收作用，且廊道沿徑向布置，當(dāng)?shù)卣鹆ζ叫欣鹊婪较驎r(shí)，廊道兩端下臥層由地震引起的地基反力會(huì)明顯集中，超出規(guī)范允許的耐力調(diào)整范圍。

實(shí)際上，由于堆料實(shí)際上是散粒體，重力荷載是通過基礎(chǔ)直接傳給地基，將此地震傾覆力矩完全地被施加在筒壁上，不考慮堆料在傾覆力矩作用下的壓力變化，會(huì)使得倉壁下的地基反力明顯偏大。實(shí)際上大部分傾覆力矩將會(huì)由貯料直接傳遞給地基土，使得局部的集中反力顯著減小，建議結(jié)構(gòu)工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮。

3 計(jì)算分析

采用實(shí)體單元和殼單元對(duì)工程A 和工程B分別進(jìn)行的建模和模擬(圖6)。為對(duì)比重載下結(jié)構(gòu)沉降變形的實(shí)際特點(diǎn)，分別采用實(shí)體單元和殼單元模型進(jìn)行模擬。實(shí)體單元模型和殼單元模型的主要區(qū)分為，實(shí)體單元模型中，土體和結(jié)構(gòu)單元均按照實(shí)體模型進(jìn)行模擬；殼單元模型按照殼單元及傳統(tǒng)的土/樁彈簧單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

圖6 電算模型

根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于歐羅倉倉底的廊道與倉壁條基整體連接，歐羅倉下廊道與一般的廊道受力模式顯著不同，如圖7 所示。結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，歐羅倉倉底廊道兩端形成類似支座的整體效應(yīng)。此時(shí)，整個(gè)歐羅倉倉底廊道兩端沉降小，跨中沉降大；地基反力兩端大，中間反力小。受力形式類似一個(gè)大截面的箱型受彎構(gòu)件。

圖7 恒載+活載工況下的廊道區(qū)域變形云圖

一般的地下廊道在不考慮抗震的情況下，可取橫剖面按照平面模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，受力鋼筋為橫向鋼筋，彎矩在平面內(nèi)分布。此時(shí)，縱向鋼筋為分布鋼筋，非受力鋼筋。歐羅倉倉底廊道則由于倉內(nèi)壁重載和廊道區(qū)域剛度增大的影響，產(chǎn)生了沿廊道縱向的差異變形，縱向鋼筋成為受力鋼筋，如圖8 ～圖9 所示。由于歐羅倉廊道整體作為簡(jiǎn)支箱形截面彎曲變形，廊道底板呈現(xiàn)出貫通全截面的拉力。由于廊道底板為迎土/水構(gòu)件，裂縫控制要求比較高，縱向分布鋼筋配筋率會(huì)明顯升高。另一方面，對(duì)于筒壁與環(huán)基來說，廊道兩端部分為懸空的薄弱點(diǎn)，筒倉外壁會(huì)由于支撐剛度的變化產(chǎn)生的協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致外壁與底板與廊道頂板交界處剪力增大，同時(shí)受拉、彎配筋增加。由此兩個(gè)工程對(duì)比可得出粗略結(jié)論，此種效應(yīng)隨地基變形模量的下降而增加。

圖8 一般廊道受力模式示意

圖9 歐羅倉倉底廊道受力模式示意圖

在歐羅倉上部結(jié)構(gòu)中，抵抗水平作用的受力鋼筋為縱向鋼筋，抵抗堆煤荷載作用的受力鋼筋為水平鋼筋，它們有明顯的功能區(qū)分。同時(shí)，由于上述效應(yīng)的存在，亦會(huì)導(dǎo)致歐羅倉廊道頂部縱向鋼筋明顯增大。如表1 所示，列出了實(shí)際工程中不同烈度區(qū)縱向鋼筋的配筋率，可以看出明顯的分布規(guī)律。

表1 歐羅倉不同區(qū)域配筋率對(duì)比

4 結(jié)語

歐羅倉由上至下由倉頂棧橋、屋面、倉壁、倉底及倉底棧橋組成，合理的設(shè)計(jì)可以發(fā)揮出工藝系統(tǒng)占地面積小、環(huán)保表現(xiàn)好的優(yōu)勢(shì)?？紤]征地成本，其造價(jià)亦相對(duì)于傳統(tǒng)的煤倉形式具有很大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于我國城市電廠的發(fā)展可以說是一個(gè)較為完美的解決方案。同時(shí)，歐羅倉的推廣對(duì)土建結(jié)構(gòu)工程師們也提出了更高的要求。