浅谈热源厂封闭式煤库挡煤墙结构设计

赵克祥

摘要：封闭式煤库结构可采用挡煤墙与上部框架结构分离式设计，也可采用挡煤墙与上部框架结构整体式设计，对某热源厂煤库采用以上两种结构形式，分别进行挡煤墙结构的受力分析计算，明确煤库挡煤墙结构计算方法，供同类工程设计者参考。

关键词：封闭式煤库;挡煤墙;整体式;分离式

1前言：

随着国家城镇化率的不断提高以及大力发展节能减排的战略举措，在北方地区尤其是城镇中积极推广兴建城市集中供热热源厂工程，同时由于城市规模的逐渐增大，热源厂规模也越来越大。煤库作为热源厂中重要组成部分的储煤构筑物，其占用场地大，环保及储煤要求高，在土地日益紧张的当下，煤库结构形式的合理选取，关系到整个热源厂的经济效益及社会效益。

随着热源厂封闭式煤库规模越来越大，其跨度一般超过30米，高度超过10米，长度超过60米，储煤需求量大，挡煤墙高度高。煤库结构形式选择采用挡煤墙与上部框架结构分离式（图1、图2），即挡煤墙与上部框架柱之间脱缝，缝宽20～50mm;也可以选择采用挡煤墙与上部框架结构整体式（图1、图3），挡煤墙与上部框架柱连为整体。本文就以某封闭式煤库为例，分别对两种结构形式采用盈建科结构计算软件对挡煤墙结构受力进行分析计算，供同类工程结构设计参考。

2、工程概况

某热源厂封闭式干煤棚长115.5米，宽38.4米，柱距為开间方向8.25米，进深方向9.6米，挡煤墙高度8.0米，屋面为网架屋面，网架支座底标高为14.0米，煤库内地面标高-2.0米，室外地面标高为-0.3米。

根据地勘报告，该工程场区土层自上而下共三层：①素填土层，层厚0.3～1.2米;②粉土层，层厚0.5～2.0米;③碎石层，该层未揭穿。基础底标高均坐落于③碎石层，地基承载力特征值fak=300kPa。地下水埋深较深可不考虑。

该工程所在地区基本风压0.55kN/m2，基本雪压0.2，抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值为0.20g，设计地震分组为第三组。最冷月平均最低气温为-20℃，最热月平均最高气温为33℃。煤库建筑抗震设防类别为丙类。

3、结构形式一：挡煤墙与上部框架分离式

上部框架结构采用盈建科结构计算软件进行整体建模计算，完成框架梁、柱内力计算及配筋计算。计算模型如图4。挡煤墙与框架分离后，单独计算挡煤墙，堆煤荷载侧向压力完全由悬臂式挡墙承担，挡墙计算简图如图5。

3.1挡煤墙结构计算

3.1.1参数取值及荷载计算

（1）参数取值：无烟煤自重取g1=10.0kN/m2，内摩擦角取φ1=30°，回填土容重取g2=18kN/m2，内摩擦角取φ2=30°，摩擦系数取μ=0.45，混凝土容重取25kN/m2，地基承载力特征值取fak=300kPa。

（2）荷载计算：取单位宽度（1m）计算：悬臂板自重G1=110kN，底板自重G2=130kN，挡煤墙内侧底板上堆煤重G3=240kN，挡煤墙外侧底板上土重G4=45.9kN。内侧堆煤侧压力：q1=5kN/m，q2=5+8×10×tan2（45°-30°/2）=31.7kN/m，墙顶砌体荷载为F1=7kN/m。

（3）煤库内堆煤工况为最不利工况，故只计算该工况。

3.1.2地基承载力验算

取单位宽度（1m）计算，竖向荷载总重Gk=G1+G2+G3+G4+F1=532.9kN，竖向荷载作用于基础底面的力矩Mk=91.335kN·m，偏心距e=Mk/Gk=91.335/532.9=0.174<5.2/6=0.87，

底板边缘最大压力Pmax=532.9/（5.2×1）+91.335/（1×5.22/6）=122.3kPa<300kPa。

底板边缘最小压力Pmin=532.9/（5.2×1）-91.335/（1×5.22/6）=82.2kPa<300kPa。

地基承载力验算满足要求。

3.1.3滑移稳定性验算

滑移推力：F=8×（5+31.6）/2=146.8kN，抗滑移推力：F抗=μG=0.45×532.9=239.81kN，

F抗/F=239.81/146.8=1.63>1.3，抗滑移验算满足要求。

3.1.4倾覆稳定性验算

倾覆弯矩：M抗=F×（8/3+1）=543.16kN·m

抗倾覆弯矩：M=（G1+F1）×1.85+G2×2.6+G3×3.7+G4×0.75=1476.9

M抗/M=1476.9/543.16=2.7>1.6，抗倾覆验算满足要求。

3.1.5计算结论：钢筋混凝土悬臂式挡煤墙地基承载力验算和整体稳定验算均满足要求，挡墙悬臂板及底板配筋按照《混凝土结构规范》GB50010-2010相应条款计算，本文中不再详细列出。

4、结构形式二：挡煤墙与上部框架整体式

整体式煤库采用盈建科结构计算软件进行整体建模计算，挡煤墙厚度为500mm，计算模型如图6。该结构形式中框架柱可作为挡煤墙的弹性支座，挡煤墙所承担的堆煤侧压力部分可以传递到框架柱，从而可以减小挡煤墙的厚度，较为经济。但是《混凝土结构设计规范》GB000-2010规定，挡土墙、地下室外墙等类结构钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距为20～30米，按整体式设计挡煤墙长度超过规范限值，季节温差产生的温度作用效应的不利后果就必须考虑。根据本工程所在地的气象资料，最冷月平均最低气温为-17℃，最热月平均最高气温为33℃，假设煤库基础及挡墙施工完成时的温度为8℃，则结构计算时升温温差为25℃，降温温差为-25℃。计算温度应力时，还应考虑对混凝土的弹性模量的徐变折减，折减系数取0.3。

4.1单工况内力分析

4.1.1堆煤侧压力工况

选取煤库中间一跨挡煤墙，在堆煤侧压力下挡煤墙弯矩云图和轴力云图如图7、8所示。

从图中可以看出，在堆煤侧压力工况下，在一个柱跨内挡煤墙根部弯矩最大，两侧弯矩较大，顶部及跨中弯矩较小，说明堆煤侧压力大部分直接传递到基础，少部分传递到框架柱，再由框架柱传递到基础。堆煤侧压力工况下，在一个柱跨内挡煤墙轴力两侧较大，中间较小。

4.1.2升温工况

选取煤库中间一跨挡煤墙，在升温工况下挡煤墙弯矩云图和轴力云图如图9、10所示。

从图中可以看出，升温工况下，由于温度荷载为均匀升温，没有考虑内外壁温差，所以挡煤墙内几乎没有产生弯矩，但是挡煤墙内轴力很大。

4.1.3降温工况

选取煤库中间一跨挡煤墙，在降温工况下挡煤墙弯矩云图和轴力云图如图11、12所示。

从图11、12中可以看出，降温工况下，由于温度荷载为均匀降温，没有考虑内外壁温差，所以挡煤墙内几乎没有产生弯矩，但是挡煤墙内轴力很大。

4.2各荷载工况下内力比较

通过分析对比各荷载工况下挡煤墙内轴力及彎矩，可以看出，挡煤墙竖向弯矩由堆煤侧压力工况控制，竖向配筋也由堆煤侧压力工况控制，挡煤墙内水平轴力由升温和降温工况控制，水平向配筋也由升温和降温工况控制。由于升降温工况下，挡煤墙内水平轴力比较大，水平配筋也很大，相比挡煤墙与框架分离式，很不经济，因此，建议挡煤墙与框架整体式结构在挡墙外侧设置保温层，尽量减小季节性温差造成的挡墙内轴力增大。

5结语

综上所述，热源厂封闭式煤库设计采用分离式结构形式时，挡煤墙与上部框架结构之间脱缝，结构传力路径明确，上部框架结构单独进行整体建模计算，挡煤墙按悬臂式挡墙计算，不用考虑温度荷载的不利影响。结构形式采用挡墙与上部框架整体式，挡煤墙与上部框架整体建模计算，挡煤墙与框架柱共同承担堆煤侧压力，挡煤墙承担侧压力大部分直接传递到基础，部分侧压力先传递到框架柱，再由框架柱传递到基础，框架柱配筋整体式比分离式大;同时考虑温度荷载后，挡煤墙内水平轴力很大，水平向钢筋由温度荷载工况控制，很不经济，建议整体式结构挡煤墙外侧设置保温，减小温度荷载的不利影响。两种结构形式均有很多实际工程案例，受限于个人能力，一点浅见供同类工程设计者参考，如有不妥之处，欢迎来信交流指正。

参考文献：

[1]GB50010-2010，混凝土结构设计规范（2015年版）[S].

[2]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[3]范振中.整体式封闭煤场温度作用取值及裂缝宽度控制[J].武汉大学学报[增].

[4]孙继鹏等.热源厂煤库结构体系实际应用[J].城市道桥与防洪2019[6].

[5]吴继昌，李柯南等.煤库设计中挡煤墙设计问题的探讨 [J].科技创新与应用2012[6].