圆形筒仓仓上建筑加层改造设计分析

肖 海 涛

(山西约翰芬雷华能设计工程有限公司北京分公司，北京 100004)

圆形筒仓仓上建筑加层改造设计分析

肖 海 涛

(山西约翰芬雷华能设计工程有限公司北京分公司，北京 100004)

简述了洗煤厂15 m直径圆形筒仓仓上建筑加层改造设计方案，采用有限元软件对不同加固方案分别建模计算，通过分析三种不同改造方案的内力、应力计算结果,对原结构关键部位进行校核，分析了每种改造方案的可行性，分析表明结构加固改造应针对原结构的具体情况，综合考虑结构安全、施工简单、工期短、造价低等多方面因素，选用最佳设计方案。

加固改造，仓上建筑，应力，有限元分析

1 工程概况

某煤矿选矸末煤仓建于1989年，直径15 m，基础采用混凝土灌注桩基础，采用筒壁与柱共同支撑形式，筒壁与仓壁均厚250 mm。仓顶环梁标高31.200 m，顶部锥壳厚度200 mm，标高33.000 m，原仓仓上建筑有一层，钢筋混凝土框架结构，砌体墙围护，檐口标高39.600 m。该仓锥壳内收半径为4.25 m，仓上建筑框架柱嵌固于锥壳顶部环梁，上部结构荷载通过锥壳传导于仓顶环梁(原结构布置如图1所示)。2014年因选煤工艺升级，需将仓上建筑改为两层，第一层顶标高37.800 m，第二层顶标高43.500 m。第一层荷载基本维持不变，第二层增加来自4号转载点皮带机头部分，设备竖向荷载为215 kN(不包括动力系数)，皮带启动拉力为270 kN，第二层顶部设10 t电动葫芦起吊梁一部。

2 加固改造设计

2.1 设计需确定的条件

1)材料。原结构混凝土强度采用300号，相应于现行规范C28，经回弹检测并考虑龄期修正，按C25采用。钢筋强度等级原Ⅰ级钢筋取fy=210 N/mm2，原Ⅱ级钢筋fy=300 N/mm2。加固用混凝土强度等级比原结构提高一级采用C30；梁、柱、墙纵筋采用HRB335级，箍筋、分布钢筋及楼板钢筋采用HPB300级。

2)荷载取值。本工程位于8度区，关于如何计算地震作用，业主提出不同意见：因原结构设计采用规范和现行规范跨越时间长，规范规定差异很大，特别是现行《构筑物抗震设计规范》及《建筑抗震设计规范》要求比原规范严格很多。按照现行规范考虑地震组合工况对原结构进行改造加固工程量巨大，部分构件加固施工困难，加固周期长，成本很高。且考虑到结构剩余使用年限较短,该结构在生产系统中的重要性较低,同时地震中该结构不会产生严重的次生灾害，故业主要求本次加固改造分析计算不考虑地震作用，只对结构构件采取相应的抗震构造措施。但这种要求并无相关依据。GB 50191—2012 构筑物抗震设计规范第1.0.4 条指出“抗震设防烈度为6度及以上地区的构筑物，必须进行抗震设计。”该条条文说明：“本条是强制性条文，要求处于抗震设防地区的所有新建构筑物必须进行抗震设计。”该条文特定指出“新建构筑物”必须做抗震设计，对于已有构筑物加固改造如何考虑抗震设计没有明确规定。查阅《中华人民共和国防震减灾法》第三十五条，指出新建、扩建、改建建设工程，应当达到抗震设防要求。查阅GB 50144—2008工业建筑可靠性鉴定标准3.1.1及4.1.2条，指出结构上作用的调查和检测包括地震作用。可见本次加固改造应当考虑地震作用组合。参考GB 50023—2009建筑抗震鉴定标准1.0.3条1款丙类建筑应按本地区设防烈度的要求核查其抗震措施并进行抗震验算。故本工程设计荷载考虑地震作用、恒载、活载(包括储料)、雪荷载及风载工况。楼面活荷载取4 kN/m2，恒载取0.5 kN/m2(不包括楼板自重)；围护结构采用轻钢彩板，取1 kN/m2；屋面活荷载取0.5 kN/m2(与雪荷载取不利)；设备荷载按机制资料取用并考虑动力系数。

3)结构校核部位及顺序。本工程对所有结构构件进行了全面校核验算。原结构校核按仓上建筑→环梁→仓壁→筒壁→基础的顺序展开。校核内容主要有：截面尺寸、配筋、挠度变形、裂缝宽度等。由于仓上建筑荷载通过锥壳传导，锥壳部分对最终加固方案的确定具有决定作用，故本文重点校核锥壳结构是否满足要求。

2.2 方案分析比较

应用YJK软件对各个方案进行整体建模计算。锥壳部分用有限元分析，单元剖分精度取1 m。模型经过处理后使剖分单元节点在上下层处对应一致。计算分析后得到各方案的应力、内力及位移。分析结果表明各方案位移均很小，满足规范要求。方案比较主要关注本工程关键构件锥壳部分的环向及径向受力情况(对于薄壳结构，计算结果表明环向和径向弯矩较小，校核时可忽略弯矩影响)。因环向受力更不利，优先校核环向受力状况。

1)方案一。利用原有仓上建筑做加层，在标高37.800处增设梁板结构。拆除原屋面，新设屋面于标高43.500处，原框架柱相应加高。立面布置如图2所示。锥壳部分有限元分析结果如图3～图6所示。由图3可知，对于目标组合最大值，锥壳大部分拉应力大于C25混凝土的抗拉强度设计值1.27 N/mm2，需根据内力计算配筋。以图4受力为422 kN/m单元为例计算环向配筋：422×1 000/210=2 010 mm2/m。原结构配筋为上下层各Φ8@200,配筋面积为251×2=502 mm2/m。配筋面积明显不足，需补强。对于锥壳加固施工难点在于，需要在仓内施工且是高空作业，可行性很低。如将锥壳、仓上建筑全部拆除重建则造成资源浪费，且拆除和新建的工作量都较大，工期长。此改造方案被排除。

2)方案二。在方案一的基础上把仓壁加高至标高33.000 m处。加高的仓壁顶面和锥壳内侧环梁用钢筋混凝土板连接。立面布置如图7所示。此方案使上部结构传来荷载部分分担给新加水平板。计算结果如图8,图9所示。由图8可知对于目标组合最大值，锥壳环向拉应力小于C25混凝土的抗拉强度设计值1.27 N/mm2，可根据构造配筋。据JGJ 22—2012钢筋混凝土薄壳结构设计规程3.3.4条，环向配筋面积最小值为0.25%×200×1 000=500 mm2/m，和原结构配筋相同，满足要求。同理根据图9,图10计算，径向配筋也取构造配筋，原结构满足要求。此方案貌似可行，工程量和施工难度相对于方案一有很大降低，但在增设水平环板时，环板的径向钢筋均需锚固到原锥壳顶部环梁内，植筋数量大，对原环梁结构损伤严重，需要在仓内做临时支护，对施工要求很高。如不能保证新加板和原锥壳协调工作，结构改造后会有很大的安全隐患。此方案也不理想。

3)方案三。通过在标高31.200 m处局部增加仓壁支撑新加楼层全部荷载。原仓上建筑高度拆除至新加结构框架梁底标高以下，使原结构与新加楼层完全脱离。此方案使锥壳荷载减小而

无需复核。只需校核仓顶环梁及其以下的结构构件。本方案立面布置及计算简图见图11，图12。本方案对原结构拆除量小，对关键构件没有损伤，有效的缩短了工期，且植筋均在安全储备较大的竖向构件上，施工方便。经分析校核，原结构构件均满足设计要求，本方案可行。本方案还可以做进一步优化：将新加结构全部采用钢构件，在仓顶环梁处植筋设置柱脚底板。钢构件全部在工厂加工制作，现场吊装安装。优化后的方案可取得更好的经济效益。

3 结语

该工程工作量不大，但难度较大，且时间紧迫。因此，方案的选择及优化就显得非常重要。混凝土结构的加固改造设计，应综合考虑安全、施工、工期、造价等多方面技术经济因素，尽量不损伤关键构件，保留有利用价值的结构构件，避免不必要的拆除或更换。同时工业建筑加固改造还需要工艺、机制等专业的默契配合，良好的沟通协作才能使改造设计做到精益求精。

[1] GB 50077—2003，钢筋混凝土筒仓设计规范[S].

[2] GB 50583—2010，选煤厂建筑结构设计规范[S].

[3] GB 50367—2013，混凝土结构加固设计规范[S].

[4] JGJ 22—2012，钢筋混凝土薄壳结构设计规程[S].

[5] GB 50191—2012，构筑物抗震设计规范[S].

[6] GB 50144—2008，工业建筑可靠性鉴定标准[S].

[7] GB 50023—2009，建筑抗震鉴定标准[S].

[8] 《贮仓结构设计手册》编写组.贮仓结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[9] 陈岱林.结构软件难点热点问题应对和设计优化[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

Reinforcement and reconstruction design for storey-adding of building above top of silo

Xiao Haitao

(BeijingBranch,ShanxiJohnFinlayHuanengDesign&EngineeringCo.,Ltd,Beijing100004,China)

This paper expounds the 15 m diameter circular silo on reinforcement and reconstruction design of storey-adding on the building above top of silo. With finite element software modeling calculation of different reinforcement schemes respectively, through the analysis of three different reconstruction scheme of internal force, stress calculation results of the original structure of key parts, this article analyzes the feasibility of each scheme. Analysis indicates that the structure reinforcement and reconstruction according to the specific condition of the original structure, considering the structure safety, simple construction, short construction period and low cost factors, choose the best design solution.

reinforcement and reconstruction, building above top of silo, stress, finite element analysis

2015-08-24

肖海涛(1979- )，男，工程师

1009-6825(2015)31-0033-02

TU318

A