大型圆形封闭煤场设计方法

0 引言

随着环保意识和环保要求的日愈提高以及企业社会责任感的逐步增强，人们对生产、生活环境的要求不断提高。近年来，建设封闭煤场不仅圆满解决了露天煤场存在的问题而且带来了显著的经济和社会效益。封闭煤场主要有圆形和条形两种形式，圆形封闭煤场比条形煤场在运行、环保、占地面积等方面更具优势，对圆形封闭煤场的设计研究已成为重大储煤工程中关注的热点问题。大型圆形封闭煤场体量大、投资高，对其设计要点和方法的探讨具有实际意义。

1 圆形封闭煤场工艺布置

物料由堆取料机顶部进料，通过旋转堆料机向煤场堆煤，由刮板取料机旋转取料到煤场中心地下煤斗，并通过煤斗下的给煤机和输煤皮带机从底部出料。煤场内堆取料作业的运行原则为"先进先出"，可以有效控制煤场的煤堆存放时间。取料机沿煤堆面俯仰、回转取煤，能将煤场内的煤基本取净，无死角余煤。煤场内中心柱下的固定煤斗供正常出煤时用，在煤场内另设一紧急煤斗，在取料机故障或维护期间，由推煤机作业，继续向系统供煤。

堆取料机有门架式和悬臂式。门架式刮板取料机的回转由门架的行车驱动，门架行车沿挡煤墙上的轨道实现环周运行，刮板变幅机构布置在门架上，通过卷扬机实现刮板的俯仰。其特点是可降低并改善中心柱的受力状况，但门架行走台车容易出现卡轨，对挡煤墙抗侧变形能力要求高。悬臂式取料刮板的回转中心柱由行星齿轮驱动，变幅机构布置在中心柱回转平台上，实现刮板的俯仰。其特点是中心柱承受较大的弯矩，中心柱施工安装要求高。

2 圆形封闭煤场设计工作

圆形封闭煤场设计主要包括煤场机电设备和建筑工程两部分工作内容。煤场机电设备主要由中心柱及下部的圆锥形煤斗、堆料机、取料机、振动给煤机等组成。建筑工程主要包括煤场地基处理、钢筋混凝土挡煤墙和顶部大跨度钢结构网壳屋盖。目前国内已运行的圆形封闭煤场建筑安装总造价约为8 000万～11 000万，其中安装工程费用约为2 000～3 500万，建筑工程费用约为4 500～7 500万。在建筑工程费用中，一般地基基础工程造价占30％左右，挡煤墙结构造价占50％左右，钢结构网壳屋面造价占20％左右。如果圆形封闭煤场位于软土地基需要对堆煤区地基进行地基处理，则其地基基础工程所占的造价比重可能增加到40％。从上述造价分析可以看出在圆形封闭煤场工程造价中设备费用比重不大且变动幅值很小，建筑工程费用比重较大且变动幅值也大，不同设计方案可能造成工程投资相差1 000万～3 000万，如果同期建设两个或两个以上圆形煤场那对投资影响更是可观。

2.1 地基处理

为了节约用地，圆形封闭煤场直径越来越大，堆煤高度也越来越高，挡煤墙高度h1一般为13m～17m，最大堆煤高度h2可达27m～33m。按照堆煤密度0.8t/m3计算，考虑堆煤的时序性和土体固结影响，通常认为当堆煤区地基承载力不小于4x（h1+h2）kPa时可不进行地基处理，当不满足上述要求时必须对地基进行处理。各地区的地理位置，气象条件，地层构造和成因以及地基土的地质特性差异变化甚大，地基处理方法众多，比如排水固结法、振密挤密法、置换及拌入法、灌浆法、加筋法等。目前，在沿海沿江地区兴建煤场居多，该地区主要为第四纪后期形成的海相、三角洲相粘性土沉积物或河流冲积物，这类土天然含水量高，天然孔隙比大，抗剪强度低，压缩系数高，渗透系数小，触变性显著。此类工程地质条件较差的大型圆形封闭煤场的地基处理设计极为复杂，是实际工程设计中的难点。按照受力特点可将大型圆形封闭煤场分为堆煤区域、挡煤墙以及堆取料机基础三个区域，下面结合实际应用工程介绍对该类地区比较适宜的地基处理方法。

堆煤区域主要承受竖向荷载，可按复合桩基处理，其思想为堆煤荷载由桩和桩间土层共同承担，大部分荷载由桩传至桩端持力层。选用直径600的PHC桩，桩顶设托板，其上铺设碎石垫层。由于堆煤区的大面积堆载，表层土体将产生侧向变形，导致挡煤墙基础桩侧向受到挤压，桩顶弯矩较大，因此挡煤墙基础桩宜采用灌注桩以便根据桩身内力进行分段配筋。挡煤墙基础桩身内力可由大型通用有限元软件ANSYS对整个圆形煤场区域建立桩-土-结构整体模型分析计算得到。采用实体单元模拟桩和土层，用接触单元模拟桩土相互作用，考虑土体的初始应力和几何非线性大变形影响，可以计算得到较为准确的桩身内力。由于整体有限元模型牵涉到土体弹塑性非线性变形分析而且模型规模较大，为了保证分析的准确可靠，应采用不少于两个合适的力学模型进行分析比较。选用基于连续介质的快速拉格朗日算法主要用于岩土地质工程数值模拟与计算分析的有限差分数值分析软件FLAC3D同样建立桩-土-结构整体有限元模型进行分析验证。在采用同等边界条件和一致工程参数的精细化模型上，两种计算模型得到的结果基本相符，从而可以判断计算结果合理有效可用于工程设计。堆取料机基础区域主要承受竖向荷载，选用直径600的PHC桩，施工质量可靠。

2.2 挡煤墙结构

挡煤墙结构设计时考虑的荷载主要有：结构自重、堆煤荷载（满载、半载、四分之一堆载等）、网壳荷载、地震荷载、风荷载、温度（包括内外温差和季节温差）。由于温度问题的复杂性，常规的做法是采用带扶壁柱的分离式钢筋混凝土挡煤墙，这样通过设缝将温度应力释放，从构造上解决了温度应力问题。这种方案的设计思路为由扶壁柱承受侧向煤压力、顶部空间网壳结构自重和水平推力。扶壁柱的受力类似于挡土墙，计算时将网壳的支座反力作用在扶壁柱顶，计算堆煤的侧向推力及其不利组合，按照组合内力确定截面尺寸和配筋。该种做法将使设计简化，但设计得到的扶壁柱截面尺寸大，工艺布置需要扶壁柱设置于煤场外侧，这将大大增加煤场的占地面积，增加费用。

对于圆形煤场这种结构形式，力学概念告诉我们将整圈挡煤墙连成一体，环向不设温度缝对结构受力是十分有利的，然而这将面临着复杂的温度应力分析问题。鉴于现在的计算分析手段，完全可以通过有限元模型的计算分析来辅助工程设计，得到更加经济合理工程方案。为了保证计算结果的准确合理，一般可分别采用大型通用有限元软件ANSYS和SAP2000分别建立环向不设温度缝的整体挡煤墙有限元模型进行分析。通过对挡煤墙结构的受力分析，挡煤墙环向配筋在很大程度上取决于环向拉力，可以考虑在环向配筋中使用部分高强预应力钢筋，从而可以降低普通钢筋用量。

2.3 钢结构网壳

目前国内的已建和在建的圆形封闭煤场屋面均采用了双层曲面网壳结构，网壳结构的发展和大量工程实践证明，网壳结构是圆形封闭煤场一种合理和日渐成熟的结构形式，具有如下主要优点：自重轻，作为一种典型的三维结构，合理的曲面可使结构受力均匀，在节约钢材的同时结构具有较大的刚度，结构变形小和稳定性高，构件制作工厂化，施工简便，速度快，适应采用各种条件下的施工工艺，自然的曲面形状具有优美的建筑造型的同时实现了自然排水的功能。

工程经验表明，圆形封闭煤场顶部采用轻型维护结构，风荷载是大跨度钢结构网壳的主要荷载也是结构设计的控制荷载，曲面网壳表面的风压与其雷诺数、表面粗糙度、风速剖面等密切相关，网壳屋面结构风载取值困难，同时对于大跨度钢结构网壳还应考虑风压脉动对结构发生顺、横风向风振的影响。因此合理确定风荷载对于大跨度钢结构网壳设计的安全、可靠和经济具有重要的意义。为确保结构设计的安全可靠，风荷载体型系数取值μs在按现行国家规范进行计算的同时还可以充分借鉴国内外相关规范进行计算，比如参考欧洲钢结构协会或者前苏联相关规范。如果圆形煤场周边环境地形复杂或者建筑群较高且密集，还可以通过计算流体动力学软件 CFX5进行数值风洞模拟，必要的时候辅之风洞试验得到结构风致响应结果从而指导工程设计，保证结构设计安全可靠。

3 结论

大型圆形封闭煤场设计主要包括煤场地基处理、钢筋混凝土挡煤墙和顶部大跨度钢结构网壳屋盖三部分。

1）建议对大型圆形煤场地基处理方案进行专题研究并经多方评审确定。在软土地基上，采用两个合适的桩-土-结构整体模型进行煤场分析是合理有效的设计方法，挡煤墙基础桩宜采用灌注桩；2）对大型圆形煤场采用环向不设温度缝的整体挡煤墙结构是可行的，考虑在环向配筋中使用部分高强预应力钢筋可以降低普通钢筋用量；3）风荷载是大跨度钢结构网壳设计的控制荷载，采用数值风洞模拟计算结构的风致响应可以进一步保证结构设计的安全可靠。