圓形筒倉倉上建筑加層改造設(shè)計分析

肖 海 濤

(山西約翰芬雷華能設(shè)計工程有限公司北京分公司，北京 100004)

圓形筒倉倉上建筑加層改造設(shè)計分析

肖 海 濤

(山西約翰芬雷華能設(shè)計工程有限公司北京分公司，北京 100004)

簡述了洗煤廠15 m直徑圓形筒倉倉上建筑加層改造設(shè)計方案，采用有限元軟件對不同加固方案分別建模計算，通過分析三種不同改造方案的內(nèi)力、應(yīng)力計算結(jié)果,對原結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，分析了每種改造方案的可行性，分析表明結(jié)構(gòu)加固改造應(yīng)針對原結(jié)構(gòu)的具體情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、施工簡單、工期短、造價低等多方面因素，選用最佳設(shè)計方案。

加固改造，倉上建筑，應(yīng)力，有限元分析

1 工程概況

某煤礦選矸末煤倉建于1989年，直徑15 m，基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)，采用筒壁與柱共同支撐形式，筒壁與倉壁均厚250 mm。倉頂環(huán)梁標(biāo)高31.200 m，頂部錐殼厚度200 mm，標(biāo)高33.000 m，原倉倉上建筑有一層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，砌體墻圍護(hù)，檐口標(biāo)高39.600 m。該倉錐殼內(nèi)收半徑為4.25 m，倉上建筑框架柱嵌固于錐殼頂部環(huán)梁，上部結(jié)構(gòu)荷載通過錐殼傳導(dǎo)于倉頂環(huán)梁(原結(jié)構(gòu)布置如圖1所示)。2014年因選煤工藝升級，需將倉上建筑改為兩層，第一層頂標(biāo)高37.800 m，第二層頂標(biāo)高43.500 m。第一層荷載基本維持不變，第二層增加來自4號轉(zhuǎn)載點(diǎn)皮帶機(jī)頭部分，設(shè)備豎向荷載為215 kN(不包括動力系數(shù))，皮帶啟動拉力為270 kN，第二層頂部設(shè)10 t電動葫蘆起吊梁一部。

2 加固改造設(shè)計

2.1 設(shè)計需確定的條件

1)材料。原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度采用300號，相應(yīng)于現(xiàn)行規(guī)范C28，經(jīng)回彈檢測并考慮齡期修正，按C25采用。鋼筋強(qiáng)度等級原Ⅰ級鋼筋取fy=210 N/mm2，原Ⅱ級鋼筋fy=300 N/mm2。加固用混凝土強(qiáng)度等級比原結(jié)構(gòu)提高一級采用C30；梁、柱、墻縱筋采用HRB335級，箍筋、分布鋼筋及樓板鋼筋采用HPB300級。

2)荷載取值。本工程位于8度區(qū)，關(guān)于如何計算地震作用，業(yè)主提出不同意見：因原結(jié)構(gòu)設(shè)計采用規(guī)范和現(xiàn)行規(guī)范跨越時間長，規(guī)范規(guī)定差異很大，特別是現(xiàn)行《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求比原規(guī)范嚴(yán)格很多。按照現(xiàn)行規(guī)范考慮地震組合工況對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固工程量巨大，部分構(gòu)件加固施工困難，加固周期長，成本很高。且考慮到結(jié)構(gòu)剩余使用年限較短,該結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要性較低,同時地震中該結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，故業(yè)主要求本次加固改造分析計算不考慮地震作用，只對結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。但這種要求并無相關(guān)依據(jù)。GB 50191—2012 構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范第1.0.4 條指出“抗震設(shè)防烈度為6度及以上地區(qū)的構(gòu)筑物，必須進(jìn)行抗震設(shè)計?！痹摋l條文說明：“本條是強(qiáng)制性條文，要求處于抗震設(shè)防地區(qū)的所有新建構(gòu)筑物必須進(jìn)行抗震設(shè)計。”該條文特定指出“新建構(gòu)筑物”必須做抗震設(shè)計，對于已有構(gòu)筑物加固改造如何考慮抗震設(shè)計沒有明確規(guī)定。查閱《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第三十五條，指出新建、擴(kuò)建、改建建設(shè)工程，應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗震設(shè)防要求。查閱GB 50144—2008工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)3.1.1及4.1.2條，指出結(jié)構(gòu)上作用的調(diào)查和檢測包括地震作用。可見本次加固改造應(yīng)當(dāng)考慮地震作用組合。參考GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.0.3條1款丙類建筑應(yīng)按本地區(qū)設(shè)防烈度的要求核查其抗震措施并進(jìn)行抗震驗(yàn)算。故本工程設(shè)計荷載考慮地震作用、恒載、活載(包括儲料)、雪荷載及風(fēng)載工況。樓面活荷載取4 kN/m2，恒載取0.5 kN/m2(不包括樓板自重)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用輕鋼彩板，取1 kN/m2；屋面活荷載取0.5 kN/m2(與雪荷載取不利)；設(shè)備荷載按機(jī)制資料取用并考慮動力系數(shù)。

3)結(jié)構(gòu)校核部位及順序。本工程對所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了全面校核驗(yàn)算。原結(jié)構(gòu)校核按倉上建筑→環(huán)梁→倉壁→筒壁→基礎(chǔ)的順序展開。校核內(nèi)容主要有：截面尺寸、配筋、撓度變形、裂縫寬度等。由于倉上建筑荷載通過錐殼傳導(dǎo)，錐殼部分對最終加固方案的確定具有決定作用，故本文重點(diǎn)校核錐殼結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

2.2 方案分析比較

應(yīng)用YJK軟件對各個方案進(jìn)行整體建模計算。錐殼部分用有限元分析，單元剖分精度取1 m。模型經(jīng)過處理后使剖分單元節(jié)點(diǎn)在上下層處對應(yīng)一致。計算分析后得到各方案的應(yīng)力、內(nèi)力及位移。分析結(jié)果表明各方案位移均很小，滿足規(guī)范要求。方案比較主要關(guān)注本工程關(guān)鍵構(gòu)件錐殼部分的環(huán)向及徑向受力情況(對于薄殼結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果表明環(huán)向和徑向彎矩較小，校核時可忽略彎矩影響)。因環(huán)向受力更不利，優(yōu)先校核環(huán)向受力狀況。

1)方案一。利用原有倉上建筑做加層，在標(biāo)高37.800處增設(shè)梁板結(jié)構(gòu)。拆除原屋面，新設(shè)屋面于標(biāo)高43.500處，原框架柱相應(yīng)加高。立面布置如圖2所示。錐殼部分有限元分析結(jié)果如圖3～圖6所示。由圖3可知，對于目標(biāo)組合最大值，錐殼大部分拉應(yīng)力大于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.27 N/mm2，需根據(jù)內(nèi)力計算配筋。以圖4受力為422 kN/m單元為例計算環(huán)向配筋：422×1 000/210=2 010 mm2/m。原結(jié)構(gòu)配筋為上下層各Φ8@200,配筋面積為251×2=502 mm2/m。配筋面積明顯不足，需補(bǔ)強(qiáng)。對于錐殼加固施工難點(diǎn)在于，需要在倉內(nèi)施工且是高空作業(yè)，可行性很低。如將錐殼、倉上建筑全部拆除重建則造成資源浪費(fèi)，且拆除和新建的工作量都較大，工期長。此改造方案被排除。

2)方案二。在方案一的基礎(chǔ)上把倉壁加高至標(biāo)高33.000 m處。加高的倉壁頂面和錐殼內(nèi)側(cè)環(huán)梁用鋼筋混凝土板連接。立面布置如圖7所示。此方案使上部結(jié)構(gòu)傳來荷載部分分擔(dān)給新加水平板。計算結(jié)果如圖8,圖9所示。由圖8可知對于目標(biāo)組合最大值，錐殼環(huán)向拉應(yīng)力小于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.27 N/mm2，可根據(jù)構(gòu)造配筋。據(jù)JGJ 22—2012鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程3.3.4條，環(huán)向配筋面積最小值為0.25%×200×1 000=500 mm2/m，和原結(jié)構(gòu)配筋相同，滿足要求。同理根據(jù)圖9,圖10計算，徑向配筋也取構(gòu)造配筋，原結(jié)構(gòu)滿足要求。此方案貌似可行，工程量和施工難度相對于方案一有很大降低，但在增設(shè)水平環(huán)板時，環(huán)板的徑向鋼筋均需錨固到原錐殼頂部環(huán)梁內(nèi)，植筋數(shù)量大，對原環(huán)梁結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，需要在倉內(nèi)做臨時支護(hù)，對施工要求很高。如不能保證新加板和原錐殼協(xié)調(diào)工作，結(jié)構(gòu)改造后會有很大的安全隱患。此方案也不理想。

3)方案三。通過在標(biāo)高31.200 m處局部增加倉壁支撐新加樓層全部荷載。原倉上建筑高度拆除至新加結(jié)構(gòu)框架梁底標(biāo)高以下，使原結(jié)構(gòu)與新加樓層完全脫離。此方案使錐殼荷載減小而

無需復(fù)核。只需校核倉頂環(huán)梁及其以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。本方案立面布置及計算簡圖見圖11，圖12。本方案對原結(jié)構(gòu)拆除量小，對關(guān)鍵構(gòu)件沒有損傷，有效的縮短了工期，且植筋均在安全儲備較大的豎向構(gòu)件上，施工方便。經(jīng)分析校核，原結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足設(shè)計要求，本方案可行。本方案還可以做進(jìn)一步優(yōu)化：將新加結(jié)構(gòu)全部采用鋼構(gòu)件，在倉頂環(huán)梁處植筋設(shè)置柱腳底板。鋼構(gòu)件全部在工廠加工制作，現(xiàn)場吊裝安裝。優(yōu)化后的方案可取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

該工程工作量不大，但難度較大，且時間緊迫。因此，方案的選擇及優(yōu)化就顯得非常重要?；炷两Y(jié)構(gòu)的加固改造設(shè)計，應(yīng)綜合考慮安全、施工、工期、造價等多方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，盡量不損傷關(guān)鍵構(gòu)件，保留有利用價值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，避免不必要的拆除或更換。同時工業(yè)建筑加固改造還需要工藝、機(jī)制等專業(yè)的默契配合，良好的溝通協(xié)作才能使改造設(shè)計做到精益求精。

[1] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50583—2010，選煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50367—2013，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

[4] JGJ 22—2012，鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].

[5] GB 50191—2012，構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[6] GB 50144—2008，工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] GB 50023—2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8] 《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編寫組.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[9] 陳岱林.結(jié)構(gòu)軟件難點(diǎn)熱點(diǎn)問題應(yīng)對和設(shè)計優(yōu)化[M].北京：中國建筑工業(yè)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

肖海濤(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)31-0033-02

TU318

A