圆形煤场结构和地基共同作用设计方法简介

第４５卷 增刊 ２０１２年７月 武汉大学学报（工学版） Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ．４５Ｓｕｐ． Ｊｕｌｙ　２０１２ 作者简介：翟建强（１９８０－），男，工程师，主要从事电厂结构设计工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｑ３２６９＠ｓｘｅｄ．ｃｏｍ．ｃｎ． 文章编号：１６７１－８８４４（２０１２）Ｓ１－０２４７－０４ 圆形煤场结构和地基共同作用设计方法简介 翟建强１，２，薛飞１，葛忻声２ （１．山西省电力勘测设计院，山西 太原　０３０００１；２．太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原　０３００２４） 摘要：某电厂工程中布置有内径１１０ｍ、高度２０ｍ的圆形煤场．通过对国内现有或在建圆形煤场结构形式剖析 后，采用结构与地基基础共同作用计算分析 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对煤场结构形式、壁厚进行优化设计；其他工程中对煤场堆煤区 域均进行地基处理，本工程中考虑到煤场面积大，地基处理的费用较高，经过计算分析后采用未对堆煤区域进行 地基处理的方式以达到满足使用要求、节省工程造价的目的． 关键词：圆形煤场；结构形式；温度作用；结构与地基基础共同作用 中图分类号：ＴＵ　３１８　　　文献标志码：Ａ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｃｏａｌ　ｙａｒｄ　ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｕｂｓｏｉｌ ＺＨＡＩ　Ｊｉａｎｑｉａｎｇ，ＸＵＥ　Ｆｅｉ，ＧＥ　Ｘｉｎｓｈｅｎｇ （１．Ｓｈａｎｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｃｏａｌ　ｙａｒｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　１１０ｍａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　２１ｍ，ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｕｏｚｈｏｕ　ｔｈｅｒ－ ｍａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｌａｎｔ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｏｒ　ｓｔｉｌｌ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｃｏａｌ　ｙａｒｄｓ，ａｌｗａｙｓ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｓｔａｃｋ　ａｒｅａ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ；ｗｈｏｓｅ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｈｉｇｈ．Ｎｏｗ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｏａｌ　ｙａｒｄ　ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｕｂｓｏｉｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃｏｓｔ ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｗａｌｌ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｃｏａｌ　ｙａｒｄ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｍ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｆｆｅｃｔ；ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ ｓｕｂｓｏｉｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ １　工程概况 国电霍州发电厂工程位于山西临汾盆地北缘 的霍州市辛置镇汾河南岸，原总装机４×１００ＭＷ， 本次以大代小工程装机容量为２×６００ＭＷ，建设 场地为原４×１００ＭＷ 场地．地貌上，属低山丘陵 区，为汾河西岸一、二级阶地．地基土空间分布为第 四系新近堆积填土层，松散，且厚度较大约１０ｍ； 泥灰岩层，上部３～５ｍ岩芯一般较破碎，溶蚀裂 隙及溶孔发育，为灰岩、白云岩及泥岩互层，岩性较 软．下部为灰白色泥灰岩，成岩程度差，呈土状，夹 石灰岩碎块，厚度大于１０ｍ．由于厂区场地狭小， 为了节约土地和提高工作效率，储煤方式设计采用 圆形煤场，储煤量为１５万ｔ，从而满足了工艺要求． ２　其他工程中挡煤墙结构方案 常规圆形煤场钢筋混凝土挡煤墙：单元分离式 挡土墙，即每一段挡煤墙是独立的悬臂构件．这些 悬臂构件共同围成一圆筒结构，为了能有效抵抗煤 的水平推力，往往截面很大．类似设计重力式挡土 墙的原理，通过配置一定重量的混凝土来达到抗倾 覆和抗滑移的目的，这样设计的结果是钢筋和混凝 武汉大学学报（工学版） 第４５卷 土用量很大，很不经济，更重要的是悬臂构件的水 平位移不易控制，给基础设计带来极大的难度． 等截面筒仓结构形式，即沿圆周剖面截面相 同，这种结构利用圆筒的环箍作用，使截面单元不 仅承受沿高度方向的弯矩作用，同时也承受沿圆周 方向的拉力．这种结构形式，由于自相平衡的环向 拉力的存在，底部弯矩比悬臂式煤仓底部弯矩小， 但由于这种结构一般底部截面较大，且沿全周长相 同布置，配筋量大，并且施工中不易控制混凝土水 化热． 这几种形式基本上没有考虑煤场挡煤墙上部 结构和地基基础共同作用，煤场内都进行了桩基础 地基处理，地基处理费用较大． ３　本工程采用的挡煤墙结构方案 煤场挡煤墙为钢筋混凝土结构，整体侧壁，不 设竖向构造缝，沿圆周每６°设置一根扶壁柱，仅墙 顶设置一道顶环梁．挡煤墙高度为２０ｍ，壁厚为变 截面，根部０．６５ｍ，顶部０．４５ｍ．一般区域扶壁柱 截面是２．０ｍ×０．７ｍ．基础形式为环形基础：断面 尺寸为６　４００ｍ×２　０００ｍｍ．承台下设桩基础，灌 注桩，桩径８００ｍｍ，沿环向每３°设置１排，１排３ 根，共３６０根，桩间距２　４００ｍｍ．径向３根灌注桩 之间用旋喷桩相连．煤场内没有进行地基处理． ４　上部结构与地基基础共同作用优 化 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 　　该结构的上部由挡煤墙侧壁、扶壁柱及环梁组 成，下部由承台、管桩及旋喷桩组成，上、下部结构 与土体协同工作，承受来自煤堆的竖向和水平向压 力．由于考虑煤场的上部结构和下部桩基及土体共 同工作，需要对结构进行整体分析，但目前没有现 成的设计方法对这种大直径的挡煤墙进行整体分 析，所以采用三维有限元方法进行分析计算，软件 采用有限元分析程序ＡＮＳＹＳ和 ＭＩＤＡＳ　Ｇｅｎ７．３０ 两种进行校验计算，计算模型如图１、２所示．通过 下面的计算分析各构件采用最优设计断面，达到优 化设计节约工程造价的目的． 为了分析计算结构与地基基础共同作用，建立 了ＡＮＳＹＳ计算模型． ４．１　单元类型 采用有限元分析程序ＡＮＳＹＳ进行，选用程序 中的４种单元类型模拟结构的各组成部分： 图１　煤场整体模型图 图２　煤场局部模型图 １）空间梁单元Ｂｅａｍ４４，模拟壁柱； ２）板壳单元ｓｈｅｌｌ１６３，模拟壁柱间侧壁； ３）管单元ｐｉｐｅ１６，模拟桩； ４）实体单元ｓｏｌｉｄ４５，模拟土体． ４．２　材料模型及参数 计算模型中各层土所用材料参数主要有弹性 模量Ｅ、泊松比μ、密度、线膨胀系数α等． ４．３　计算范围和边界条件 除主体结构外，取部分土体作为计算模型的一 部分，侧壁外取２０ｍ，侧壁内取４０ｍ，土深３０ｍ ． 土的边界条件：筒仓外侧和底部的土体均视为三 向约束，即ｕｘ＝ｕｙ＝ｕｚ＝０；侧壁内侧土体视为两 向约束，即ｕｘ＝ｕｙ＝０． ４．４　压力载荷 侧壁所受的压力载荷主要来自煤堆的竖向和 水平侧压力，单位面积上的竖向压为ｐｖ＝γｈ，其中 γ为煤的重力密度，γ＝１３ｋＮ／ｍ３；ｈ为煤的顶面或 锥体重心到计算截面的距离，本计算中取ｈ＝ ２６ｍ．水平压力为ｐｈ＝ｋγｈ，其中ｋ为煤的侧压力 系数，ｋ＝０．４５，ｈ＝１８ｍ ． ４．５　计算假设 １）将混凝土和土体均视为弹性体，未考虑其 材料的非线性效应； ２）考虑管桩和土体的共同工作，但未考虑它 们之间的滑动和摩擦效应． ８４２ 　增刊 翟建强，等：圆形煤场结构和地基共同作用设计方法简介 ４．６　荷载 荷载考虑了整体堆煤荷载、内外温差荷载、季 节升温荷载、季节降温荷载、汽车卸煤区域荷载．没 有考虑风荷载、地震荷载． ４．７　计算工况 １）整体堆煤时对整体结构和桩基础、土体的 影响； ２）局部堆煤时对整体结构和桩基础、土体的 影响； ３）温度变化对结构的影响 （限于篇幅不作介 绍）； ４）结构参数分析：分别考虑筒仓壁的厚度、壁 柱截面、土体性质及门洞的应力集中等因素对结构 的影响，选取最优构件截面组合（限于篇幅不作介 绍）． ４．８　分析计算结果 ４．８．１　整体堆煤时对整体结构和桩基础、土体的 影响 对整体结构的影响：当煤场内堆满煤的情况 下，通过分析结构各部分的受力变形特点，然后分 析各因素对结构的影响． １）由图３可见，侧壁在满载煤的情况下，整个 结构的变形对称性较好，其中侧壁内侧的土体位移 最大，并以竖向位移为主，最大竖向位移为３２４ ｍｍ； ２）侧壁的位移以水平位移为主，变形后呈鼓 状，表明侧壁的上端环梁及下部结构对变形的约束 作用较强，最大水平位移发生在筒高的中下部，其 值为８．０ｍｍ； ３）桩的位移因受土体约束的影响，整体位移 较小，最大水平位移发生在桩顶部，并呈现不光滑 的变化，这主要是由于上层填土的弹性模量比相邻 土层小３个数量级之多而引起的．１０ｍ以下的位 移可忽略不计； ４）内、外桩的位移变化规律相同，但内侧桩的 位移较大，最大水平位移约为５ｍｍ； ５）结构在煤压作用下，以土体的位移最大，在 土体各位移分量中，竖向位移最大，最大的竖向位 移发生在筒仓内侧填土层的表面处，其值为３２４ ｍｍ；最大水平位移为３１ｍｍ，图４为土体的水平 位移云图． 结构各部分变形协调关系：图５、６为结构的侧 壁、壁柱、环梁和桩各部分变形相互约束和协调的 图３　结构总变形 关系，由图可见，各部分协调较好，上部结构变形形 态光滑连续，最大水平位移发生在筒高的中下部， 下部桩变形较小，只是在桩高顶部附近出现不光滑 折角，这主要是由于两层土的弹性模量相差太大而 引起的． 图４　土体的水平位移 图５　部分侧壁和桩的总位移 图６　部分结构的总位移 ４．８．２　局部堆煤时对整体结构和桩基础、土体的 影响 计算中研究了局部堆煤对结构受力变形的影 ９４２ 武汉大学学报（工学版） 第４５卷 响，分别考虑了局部堆煤为满场的１／２、１／４、１／８圆 周时结构的受力与变形，考虑到局部堆煤摩擦角的 影响，竖向煤压力取满载的３／４，水平压力和满载 时相同． 当煤场侧壁在局部范围内堆煤的情况下，侧壁 位移场的局部效应表现明显，在堆煤处的起点和终 点位移最大，然后迅速减小．侧壁和桩的最大水平 位移随堆煤范围的减小而增加，若以满载和４５°堆 煤范围相比，侧壁水平位移由８ｍｍ增到３０ｍｍ； 桩的水平位移由５．３ｍｍ增到１６ｍｍ．其他一些影 响表现在：堆煤范围对结构各部分的轴力影响较 大，随范围的减小，轴力有增有减和增减相间的变 化，剪力和弯矩变化不大．侧壁轴力随堆煤范围的 减小而减小，在１８０°～３６０°的范围内减小明显，减 小约４０％；桩轴力随堆煤范围的减小而减小．壁 柱轴力随堆煤范围的减小而增加等． ５　结论 考虑结构与地基共同作用下，通过各工况的计 算分析研究得如下结论： １）挡煤墙结构在满载情况下，侧壁的最大水 平位移为８ｍｍ，最大膜力为４　７５０ｋＮ／ｍ；最大弯 矩为１７８．３（ｋＮ·ｍ）／ｍ；桩的轴力为３　５６０ｋＮ；弯 矩为６２６．２ｋＮ·ｍ；剪力为４２７．６ｋＮ； ２）局部堆煤时，对结构的位移和内力均产生 明显的局部效应，随堆煤范围的减小，侧壁上最大 水平位移为８～３０ｍｍ；侧壁上的轴力随堆煤范围 的减小而减小，减小约４０％，而壁柱的轴力则随堆 煤范围的减小而增加，增加约７６％； ３）考虑季节温差的变化，在局部范围内堆煤 的情况下，对结构内力有明显的影响，在４５°～１８０° 的圆周范围内，不论升温或降温，侧壁和桩的轴力 都有所增加；在１８０°～３６０°范围内，轴力随温度的 下降而增加； ４）满载时，侧壁内外温差对侧壁的弯曲力影响 较大．由于侧壁内外温差，弯矩是原来的２～４．６倍； ５）随着侧壁厚度的减小，其侧壁的膜力呈直 线减小，壁柱的轴力呈直线增加； ６）随壁柱截面的减小，主要使自身的轴力和 弯矩减小，对其他构件影响很小； ７）上部结构中不设置壁柱的结构与设置壁柱 相比，其轴力和剪力分别增大了１０％和１１％，弯矩 增大了７０％； ８）季节温差对有、无壁柱结构侧壁的弯矩影 响有较大的差别，无壁柱是有壁柱的２倍； ９）不设置旋喷桩的结构，其桩上的剪力增大 了约８０％左右，弯矩增大了约５０％； １０）考虑土体的非线性效应时，对土体的水平 位移影响较大，对结构的影响较小． 参考文献： ［１］　ＧＢ　５００１１－２０１０，建筑抗震设计规范［Ｓ］．北京：中国建 筑工业出版社，２０１０． ［２］　ＤＬ　５０２２－２０ｘｘ，火力发电厂土建结构设计技术规定 （送审稿）． ［３］　ＪＧＪ　９４－２００８，建筑桩基技术规范［Ｓ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００８． ［４］　大直径１１０ｍ圆形贮煤筒仓与地基基础共同作用的 数值分析［Ｒ］．太原：太原理工大学工程科技发展中 心，２０１０． ０５２