大型钢筋混凝土球壳结构储煤仓受力分析.pdf

第4 7 卷 第6 期 煤炭工程 C0 AL ENG I NE ER I NG Vo 1 47 No 6 do i ： 1 01 1 7 9 9 c e 2 01 5 06 01 2 大型钢筋混凝 土球 壳结构储煤仓 受力分析 王德锋，朱碉莉 ( 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要：结合工程实例 ，介绍 了大型钢筋混凝土球 壳结构储煤仓的发展现状及球型仓的施工 工艺。在各种荷载组合下，采用 F E M A P高级有限元分析软件对球壳结构的仓壁受力进行分析。 根据球 壳结构最大、最小轴力及 弯矩，确定 了仓壁的最不利截面的位置，为工程设计提供可靠地 内力分析图。 关键词 ：大型钢筋混凝土球 壳结构 ；施工工艺；受力分析 中图分类号：T D 2 2 3 ；T U 3 3 3 文献标识码 ：A文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 5 ) 0 6 - 0 0 3 7 - 0 3 S t r e s s Ana l y s i s o f La r g e Re i n f o r c e d Co nc r e t e Co a l Bun ke r wi t h S p he r i c a l S he l l S t r uc t u r e W ANG Def e n g，ZHU Yuel i ( C h i n a C o a l X i a n D e s i g n E n g i n e e ri n g C o mp a n y L i m i t e d ，X i a n 7 l 5 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h e p r e s e n t d e v e l o p me n t s i t u a t i o n a n d t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f c o a l b u n k e r w i t h l a r g e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p h e ric a l s h e l l s t ruc t u r e w e r e i n t r o d u c e d， c o mb i n i n g w i t h 3 e n g i n e e ri n g e x a mp l e s F E MAP a d v a n c e d f i n i t e e l e me n t a n aly s i s s o f t wa r e wa s a p p l i e d t o a n aly z e t h e wa l l s t r e s s o f s p h e ri c al s h e l l s t ruc t u r e T h e p o s i t i o n o f t h e c r i t i c a l s e c t i o n wa s d e t e r mi n e d a c c o r d i n g t o t h e ma x i mu m and mi n i mu m o f s p h e ri c a l s h e l l s t ruc t u r e a x i al f o r c e a n d b e n d i n g mo me n t t o p r o v i d e r e l i a b l e i n t e r n al f o r c e an a l y s i s f o r t h e e n g i n e e rin g d e s i g n Ke y wo r d s：l a r g e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p h e ri c a l s h e l l s t r u c t u r e ； c o n s t ruc t i o n p r o c e s s ； s t r e s s a n a l y s i s 钢筋混凝土薄壳结构在我国已有一些应用，如北京体 育馆网球馆( 4 2 m 4 2 m) ；上海体育馆 ( 3 0 m 3 0 m) ；广东 番禺人民大会堂( 直径 5 5 m) 等。由于钢筋混凝土薄壳结构 工程费用大、施工难度大、施工周期较长，且施工成形需 要大量的模板，其发展遇到了一定的阻力。但是随着工业 化的飞快发展，以上问题已得到完美的解决。采用一种新 型工艺来实现球型薄壳结构的理想已变成现实。目前国际 上使用较多的一种施工工艺，是使用一种充气的框架，在 其 上喷涂混 凝土形 成 主要结 构。整个施 工工 艺为 ：根 据设 计 浇灌 完球 型仓基 础 ，安装 预制 气模 与基础 连接 ，安 装充 气系统 ，气模 内部充气，保持气压稳定，在气模 内壁喷涂 聚氨酯膜 ，安装钢筋绑扎标记条，根据球型仓仓壁的设计 图纸 ，按标记绑扎钢筋网喷涂混凝土，也可以分层绑扎钢 筋分层喷涂混凝土，混凝土喷涂完成以后 ，关闭风压系统， 整个工程完成 J 。本文结合工程实例介绍了钢筋混凝土 薄壳结构工程的受力分析方法。 1 工 程概 况 该工程位于内蒙古 自治区鄂尔多斯乌审旗图克镇呼吉 尔特村西 1 0 k m处。场地平坦 ，原地貌属风积沙地 ，多为固 结、半固定沙丘。植被稀疏为半荒漠地区。场 区内地下水 为潜水。含水层为风积细砂及湖相细砂、粉土层，水位埋 深 0 4 0 5 4 0 m，其补给来源主要为大气 降水，排泄方式 以垂直蒸发为主。据调查，场 区地下水水 位变化 幅度在 1 0 m左右。该项 目规模为 1 2 0 0万 t a 大型洗煤厂，储煤系 统 为一 座 6万 t 原煤仓 和二 座 6万 t 产品煤仓 。该项 目采用 E P C总承包模式。 2 球型仓设计与布置 该工程上部为半球钢筋混凝土球壳 ，直径为 5 4 m，球 仓地上直线段高度为 2 8 m，球仓顶建筑物高度为 7 3 m，球 仓总高度为6 3 1 m，容量为 6万 t ，给煤是由球型仓顶一条 收稿 日期 ：2 0 1 41 1 0 7 作者简介：王德锋( 1 9 5 9一) ，男 ，陕西蓝田人 ，教授级高级工程师，全国一级注册结构工程师 ，从事结构设计及研究 工作 ，Em a i l ：w ang d e f e n g 5 9 1 2 6 c o rn。 引用格式 ：王德锋 ，朱 莉大型钢筋混凝土球壳结构储煤仓受力分析 J 煤炭工程 ，2 0 1 5 ，4 7 ( 6 ) ：3 7 3 9 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5 年第6 期 带式输送机以直接堆料形式，从球仓顶部进料。球仓底部 平行布置三条输煤暗道，贯通于球型仓下部，采用振动式 给煤机取煤 ，用输送机将煤输送到转载点 ，通过转载点将 煤送出，其结构剖面如图 1 所示。 图 1 球壳结构剖面 图 球型仓仓顶仅 1 条带式输送机给煤配煤简单，减少仓 顶配煤采用刮板或者输送机给煤环节。节约运行成本，减 少故障环节 。省去 仓上 复杂 的建筑物 。一般情 况下 ，配煤 需要一到二层建筑物。对建筑物的抗震性能有利。对仓上 建筑物在动荷 载作用 下也有 利。可 以减 少工 程造价 ，节约 投资 。 吕 皇 寇 蝮 酱 3 8 环向拉 力 k N ( a ) 最大轴力 5 9 0 0 0 1 l 8 O 4 5 5 2 2 2 5 8 2 1 3 4 8 9 2 0 1 0 6 8 4 0 9 7 0 j 9 8 7 2 j l 3 3 5 2 3 ： l 1 6 1 1 7 3 0 4 7 6 ： l 1 7 0 7 6 厘 -I 臼 蕾 2 1 3 3 2 i 2 3 7 9 0 1 2 5 2 1 6 4 3 0 0 7 、 5 1 0 3 6 0 9 0 t o 35 00 5 2 3 7 。 环 向拉力 k N ( e ) 最大环向弯矩所对应的轴力 l 窳 枢 酱 g 鑫 嫱 酱 环向弯矩 ( k N- m ) ( b ) 最大轴力所对应的弯矩 环向弯矩 ( k N m ) ( f ) 最 大环 向弯矩 3 满堆煤荷载下的球型仓球 壳结构仓壁受力分析 3 1 截 面强度、变形和裂缝 的控制 对于钢筋混凝土球壳的截面承载力验算时，控制球壳 的最大主拉 应力 。变 形控 制原则 为 ：在荷 载短期效 应组 合 下的扰度值不应大于球壳直径的 1 1 0 0 0 ；在荷载长期效应 组合下的扰度值不应大于球壳直径的 1 5 0 0；对裂缝控制 ， 裂缝控制按照荷载标准值并考虑弯矩影响的最大主拉应力 作用下，最大裂缝宽度不大于 0 2 mm。球仓壁厚度沿着球 仓高度逐渐变小。确定球仓厚度依据球仓的受力分析结果 ， 按照混凝土规范相关计算公式，确定球仓壁的厚度及配筋。 最终计算结果是：混凝土强度等级为 C 4 0 ，球仓壁厚度为 7 7 02 8 0 m m，球仓壁环向配筋为 5 02 8 1 9 0 2 01 2 3 0 0 。 球仓壁竖向配筋为 5 0 2 0 3 0 0 2 01 6 3 0 0 。 3 2 荷 栽效应 与分 项 系数 该工程为非抗震设计，球壳结构构件荷载效应组合的 设计值 ： S = yc CG G x +yG C 0 1 G 尉 + c C 式中，G G K I 、 分别为永久荷载( 即恒荷载) 、活 2 9 8 6 I 5 9 0 0 0 、 8 2 + 3 5 2 2 2 5 1 4 9 J 4 8 9 2 0 5 O 4 0 9 7 0 4 6 1 ： 3 3 5 2 3 枢 妇 l 8 4 o _9 2 4 3 8 0 酱 2 l 6 7 6 0 1 5 3 o l 2 l8 8 ： 2 2 7 3 8 8 1 9 丁5 0 0 l 9 5 5 9 0 0 0 l l 49 52 22 5 4 8 9 2 0 0 5 l 4 0 9 7 0 0 5 0； 3 3 52 3 建 057 国 6 9 0 f 2 2 8 5 6餐 1 4 l 0 7 1 6 7 6 0 l 4 2 2 4 L 6 0 9 0 -3 50 0 1 9 9 9- 环向拉力压 r N 环向弯矩 k N _m) ( c ) 最小轴力 ( d ) 最小轴力对应的弯矩 6 0 8 6 2 9 9 8 2 7 6 7 3 9 7 5 l 2 5 2 - 3 1 2 5 7 7 - -_：8 7 2 5 15 3 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 l 1 0 0 0 环向拉 力 k N ( g ) 最小环向弯矩所对应的拉力 图 2内力分析结果图 1 1 4 5I 5 9 0 0 0 2 4 4 5 2 2 2 5 3 7 5 4 8 9 2 0 O 8 4 4 0 9 7 0 i l l3 4 ： 3 6 5 5 l 3 0 3 一 3 0 4 7 6 5 3 0 2 4 3 8 0 衡 f 1 3 -0 j l 8 2 8 4 删 l 2l 8 8 5 0 3 6 0 9 0 3 5 0 0 1 0 7 3 2 环向弯矩 ( k N-m) ( h ) 最小环向弯矩 一 一 一 姗 g g 越 挺 簧 叭 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第6 期 煤炭工程 荷载和风荷载的标准值 ；C C 。 、c 分别为相应的荷载 效应系数 ； y 分别为相应的荷载分项系数； 为 风荷载组合系数。 3 3主要荷 载 满堆煤 荷载按 钢筋 混凝 土简 仓设 计 规范 ( G B 5 0 0 7 72 0 0 3 ) 附录 c ，浅 圆仓储料压力计算公式，煤作用 于球仓仓壁上的侧压力： P = A 1 yh A 1 去 ( 6 8 a 一 c 。 ) c o t ( ) c o t O=一c o t o+ 2 I 1+ +s i n 2 g ( t a q 8+6 8 s i n 2p 竖 向压力 ：P =y S 3 4 仓壁的受力分析 仓壁受力分析采用( F E MA P ) 高级有限元分析软件进行 球仓的内力分析，结果如图 2所示。荷载组合为：恒载 + 活荷载 + 风载 + 煤压力 + 雪载。 从 图 2分析得知 ： 1 )球仓在各种荷载组合下 ，内力最大发生在仓底部 9 1 4 01 0 6 6 4 m范围之间。这是 由于储料煤的侧压力在该 范围之间是最大的。因此在该区域将产生最大环向拉力和 最大环向弯矩。 2 )随着煤侧压力的减小，环向弯矩急剧减小。当煤侧 压力减小到零时，仓壁 内力仅有轴向力存在，环向弯矩几 乎趋于零。球仓仓壁的环向拉力也急剧减小。球仓仓壁接 近无矩理论状态。球壳截面上的弯矩、扭矩和竖向剪力均 趋 于零 。 3 )在上述荷载组合作用下，球仓 自基础顶面至球仓标 高 3 3 5 2 3 m左右，球仓仓壁承受着环向最大、最小弯矩， 环向最大、最小轴力。分析表明球仓壳体在该范围之内， 按有矩理论计算分析是正确的。符合结构的受力特点。 4 )由图2 可知，球仓顶部无论是环轴向力还是环向弯 矩都是急剧增大 ，其原因与球仓顶部有较大的集 中荷载和 球仓顶部开有较大的孔洞有关。 4结论 1 )在满堆煤荷载工况下，仓壁的最大弯矩 、轴力进行 仓壁的抗弯设计，基本可以满足设计要求。 2 )采 用球 型仓储煤系统 ，工艺布置简单 ，与传 统 的原 煤仓和产品煤仓比较，上部结构布置简单，运行费用相当 低 ，设备单一 ，仅单点给煤 ，减少胶带或刮板配煤环节， 充分体现节能减 排。 3 )在设计球壳时，尽量使球壳薄膜 内力为理想状态， 几何形状尽量规则；球壳所作用的荷载尽量能做到使球壳 中面内的薄膜内力以受压为主；这样才能发挥球壳的受力 特点。使球壳尽可能地避免或限制弯曲应力，从而使球壳 处于薄膜内力状态，这是薄壳结构设计时需要考虑的主要 思路 。 4 )当球壳上所作用的荷载及几何尺寸不规则时，应采 用有 限元分析法进 行考虑 几何 非线性 和材料 非线 性影 响 的 荷载位移全过程分析。 5 )对球仓的温度收缩变形，可参照 结构混凝土建筑 规范 要求 ( A C I 3 1 81 1 ) 美 国混 凝 土协 会 标准，第 7 1 2 2 1条规定 ，温度和收缩的截面面积应至少达到配筋 面积与混凝土毛截面积之比，螺纹钢筋为 0 0 0 1 8 。该球仓 配筋满足要求 ，同时球仓外表面气模 内壁喷涂聚氨酯膜 ， 保温性能很好。 参考 文献 ： 1 王学 谦全 国注 册结构 工程 师继 续教育 必读 系列 教材 ( 之 三)空间结构 M 北京 ：中国建筑工业出版社 ，2 0 0 0 2 G B 5 0 0 0 92 0 1 2，建筑结构荷 载规范 S 3 G B 5 0 0 7 72 0 0 3，钢筋混凝土筒仓设计规范 S 4 徐芝纶 弹性力学 M 北京 ：高等教育 出版社 ，2 0 0 6 5 A C I 3 1 8 1 1 ，结构混凝土建筑规范要求 S ( 责任编辑杨蛟洋) ( 上接 第 3 6页) 风险防范措施 。 2 )应急预案：根据 H J T 1 6 9 2 0 0 4 要求，制订风险 应急预案。 4结语 本文结合排矸场实例 ，提出了煤矿排矸场风险评价的 方法与步骤，给出排矸场溃坝风险值、风险影响范围、污 染影响程度等关键问题的定量计算方法，可为煤矿环境影 响风险评价和审批提供借鉴。 参考文献： 9 1 胡二邦环境风险评价实用技术和方法 M 北京：中国 环境科学出版社 ，2 0 0 0 、 、 田文旗 ，薛剑光 尾矿库安全技术与管理 M 北京 ：煤 炭工业 出版社 ，2 0 0 6 H J T 1 6 9 2 0 0 4 ，建设项 目环境风险评价导则 s 脚 6 1 92 0 1 1 ，环境 影 响评 价 技术 导 则 ：煤 炭 采选 工 程 s GB 5 0 4 3 32 0 0 8 ，开发建设项 目水土保持技术规范 s AQ 2 0 0 6 2 0 0 5，尾 矿库安全技术规 s H J 5 6 4 2 0 1 0 ，生活垃圾填埋场渗滤液处理工程技术规范 ( 试行 ) s H J T 2 39 3，环 境 影 响评 价 技 术 导则 ：地 面 水 环 境 S L 贝尔加 ，王道 席设计 洪 水新 趋 势 J 水 利规 划 ， 1 9 9 7 ( 4 ) ：5 8 64 ( 责任编辑杨蛟洋) 3 9 ；1i 1 J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m