大型贮煤筒仓设计中的几个问题

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