赵而玉 郭呈涛 蒋丽丽
(1.山东鲁勘工程检测鉴定有限公司,山东 济南 250118;2.煤炭工业济南设计研究院有限公司,山东 济南 250031)
在选煤厂及电厂的各种储煤方式中,大跨度储煤棚由于它的储煤量大、造价相对较低、施工安装周期较短、环保效果好等优点,越来越多地被各大企业采用。大跨度储煤棚的屋盖体系为空间钢网架结构,可利用结构计算软件实现结构设计,网架支座位于下方钢筋混凝土方柱上,方柱间设挡煤墙或挡土墙。目前大部分建筑结构分析及荷载组合基本由结构计算软件完成,但储煤棚挡煤墙还需要手动进行荷载效应组合计算,现就针对挡煤墙结构设计时的荷载组合进行探讨和研究。
山东信发铝电集团有限公司专用线翻车机系统及电厂储煤、上煤系统工程的新建20万t大跨度储煤棚,轴线尺寸为:100m(宽)×340m(长),内设堆取料机,煤堆自然堆放后南北两侧挡煤墙处煤高不超过4m。储煤棚南北侧最终平场标高相差4m,且北侧挡煤墙无回填土,南侧挡煤墙室外为回填土,填土日期未定,且设置运煤车道路;采用正放四角锥、螺栓球节点三心圆柱面网壳的结构形式,网架支座位于下方钢筋混凝土短柱上,短柱间距约4~8m,短柱间设挡煤墙或挡土墙。储煤棚剖面示意图详见图1所示。
图1 储煤棚剖面示意图
大跨度储煤棚挡煤墙受力比较复杂,一般包括:(1)上部钢网架结构在支座处传来的水平、竖向荷载,水平荷载方向分为向内和向外两种情况;(2)内侧煤堆的水平、竖向压力;(3)外侧土压力及车辆引起的水平力等等。其中土压力为永久荷载,钢网架结构支座传来的荷载、煤堆压力为可变荷载。针对山东信发铝电集团储煤棚,挡煤墙墙高6.7m,单侧墙体总长340m,地基采用水泥土深层搅拌桩进行处理,处理后的复合地基承载力特征值不小于230kPa。储煤棚南侧、北侧挡煤墙的荷载类型、作用位置详见图2所示。
图2 储煤棚挡煤墙荷载示意图
依据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012第3.2.1条“建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载,按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合,并应取各自的最不利的组合进行设计”,并结合山东信发铝电集团储煤棚现场使用情况具体分析后,结构设计时北侧、南侧挡煤墙采用的荷载组合如下:
(1)北侧挡煤墙无挡土情况。① 工况一:当考虑网架支座处向外的水平荷载时(F外),应同时组合煤堆向外的水平荷载(Ea);② 工况二:当考虑网架支座处向内的水平荷载时(F内),不应组合煤堆压力。
(2)南侧挡煤墙有挡土情况。① 当回填土尚未回填时,按上述(1)工况一、二两种情况组合;② 工况三:当回填土完成时,考虑网架支座处向内的水平荷载时,应组合土压力及汽车荷载引起的土压力,不应组合煤堆压力;③ 工况四:考虑网架支座处向外的水平荷载时,应组合土压力、煤堆压力,不应组合由车辆荷载引起的土压力。
(3)考虑不组合网架荷载,仅组合土压力和车辆荷载引起的土压力或者仅考虑内侧煤堆压力。
(4)在每种荷载组合下,应进行基础的承载力计算、抗倾覆和抗滑移稳定性验算。
山东信发铝电集团有限公司20万t大跨度储煤棚场内储料为精煤,精煤容重r为10kN/m3,内摩擦角φ不小于38°,挡煤墙内力计算过程如下:
(1)根据上部网架计算结果,确定挡煤墙上部网架支座传来的荷载。
(2)储料精煤产生的主动土压力为:
式中:
Ka-库伦主动土压力系数;
α-墙背与竖直线的夹角,(°);
β-墙后填土面的倾角,(°);
δ-土与墙背材料间的外摩擦角,(°)。
储料精煤产生的主动土压力合力作用点离墙底为h/3,h为挡煤墙高度。
(3)抗滑移稳定验算
主动土压力水平方向力为:
主动土压力垂直方向力为:
滑移力为:Eat+F1
抗滑移力为:(G+Ean)μ
式中:
μ-地基土摩擦系数;
G-土及结构自重;
(4)抗倾覆稳定验算
(5)地基承载力计算
以储煤棚南侧挡煤墙为例,根据每种工况的荷载组合不同,挡煤墙墙体结构计算方法可详见《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)的相关规定,南侧挡煤墙各工况下荷载组合计算结果见表1。
由表1可知,挡煤墙在不同的荷载组合下,计算出的pkmax、pkmin、Kc、Kp、M均不同,结构设计时,墙体、底板的尺寸、配筋应按最不利荷载组合下的计算结果,比如挡煤墙墙体配筋计算时应按工况一执行,地基承载力计算时应按工况四执行。
表1 南侧挡煤墙各工况下荷载组合计算结果
综上所述,大跨度储煤棚挡煤墙在结构设计时,若漏掉不利荷载,结构安全将会受到影响,若计算时只图结构计算省事将所有荷载组合成同一个方向,将会过于保守从而造成浪费;因在每种荷载组合下都应验算基础的抗滑移和抗倾覆稳定性,若计算时过于保守,常会出现基础抗滑移稳定性验算难以满足要求的技术难题。
大跨度储煤棚挡煤墙的荷载组合应根据工程现场使用情况具体分析,结构设计时应避免漏掉不利荷载而影响结构安全,但也不应过于保守而造成浪费。山东信发铝电集团有限公司专用线翻车机系统及电厂储煤、上煤系统工程的新建20万t大跨度储煤棚挡煤墙的荷载组合考虑全面,设计合理,取得了良好的经济及社会效益,并为其他大跨度储煤棚项目的结构设计提供了经验和借鉴。