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摘要：格构式挡煤墙与整体式挡煤墙的区别在于，将筒体结构拆分成扶壁柱、次梁和墙板。由于在相邻墙板之间设置了温度缝，使得仓壁结构在环向的拉力路径被切断，结构不能整体受力来抵抗煤侧压力，好处就是结构在温度荷载作用下将不会产生拉应力。本文探讨了格构式挡煤墙上部结构在温度和煤侧压力所用下的受力特点，为工程设计提供了可靠的依据。
关键字：格构式挡煤墙；温度荷载；煤侧压力
中图分类号：TB21文献标识码： A
0 引 言
自2006年广东院与武汉大学合作完成了国内第一个整体式圆煤仓挡煤墙——汕尾电厂一期工程圆煤仓的设计以来，国内的封闭式圆煤仓大多采用这一结构形式，取得了一定的成果的同时，也暴露出一些问题。由于整体式挡煤墙环向不设缝，使得结构对于温度作用十分敏感，容易开裂；而为防止墙体开裂需配置大量温度钢筋，由此造成了挡煤墙工程量大，造价偏高，施工周期长的缺点；另外，当煤发生自燃时，结构容易受到损坏，损坏后往往需要煤仓停止运行，对受损处进行修复后才可继续使用，由此也给电厂造成一定的经济损失。为了克服整体式圆煤仓的缺点，本文提出了格构式圆煤仓挡煤墙的结构形式，并对该结构形式的受力特点进行了分析。
1格构式圆煤仓结构特点
格构式挡煤墙将结构分为主构件和次构件（见图1），主结构包括环形基础、扶壁柱和顶环梁，次结构包括次梁和墙板，也可不设置次梁。次构件支承于主构件上。煤侧压力通过次结构传递到主结构上。与整体式相比，仓壁部分的受拉变成了扶壁柱的受弯，利用了混凝土结构抗拉弱抗弯强的特点，实现了结构的优化。
次构件布置在内侧，与煤直接接触，主构件在外侧，受次构件保护，不与煤堆直接接触，从而避免煤自燃对主构件破坏，提高结构的安全度；次结构简支在主结构上，在承受温度荷载作用时可以自由变形，从而使温度应力得到释放，达到减少配筋的目的。
图1、格构式圆煤仓挡煤墙
和整体式原煤仓一样，格构式圆煤仓也主要受煤侧压力和温度荷载的影响。本文采用通用有限元软件MIDAS GEN 730用于格构式圆煤仓挡煤墙的建模和分析工作。有关的结构建模假定依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2012）[1]来进行。
2格构式圆煤仓在煤侧压力作用下的受力特点
首先考虑的是结构在煤侧压力的作用。下面将结构在不同角度堆煤荷载作用下的变形和内力以图表的形式给出，计算结果中同时还包含了结构自重的影响。
2.1结构在煤侧压力作用下的变形
图2.1.1 60度堆煤荷载下结构位移图
（结构最大位移：39mm，位于荷载中心处顶环梁）
图2.1.2 180度堆煤荷载下结构位移图
（结构最大位移：30mm，位于堆煤边界处顶环梁）
图2.1.3 360度（满仓煤）堆煤荷载下结构位移图（结构最大位移：13mm）
60度 180度360度状
图2.1.460~360度堆煤荷载下扶壁柱变形形状
从变形图上可以看出，在局部堆煤作用下，堆煤处的扶壁柱变形表现为顶部最大，底部最小，变形形状与悬臂梁相同，整个结构的变形表现为：堆煤处结构向外突出，附近的结构受到牵扯，远处的结构变形很小；当增大堆煤角度后，堆煤处的扶壁柱的变形逐渐出现弯曲的特点，顶部的位移受到更大的约束；在满仓煤作用下，扶壁柱的变形与一个端固接一端简支的梁类似，靠近简支端的跨中某一处位移最大。扶壁柱的变形也决定了整个结构的变形，整个挡煤结构在满仓煤作用下表现为：结构中上部向外膨胀明显，顶部和底部的变形受到明显的约束，变形形状像一个水桶。
2.2扶壁柱的受力特点
图2.2.1 60度堆煤荷载下扶壁柱主弯矩图
（最大弯矩值位于荷载中心的扶壁柱：29338kNm）（最大负弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：-6496kNm）
图2.2.2 60度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：3645kNm）
图2.2.3 180度堆煤荷载下扶壁柱主弯矩图（最大弯矩值位于堆煤边界以内第二根扶壁柱：23038kNm）（最大负弯矩值位于荷载中心的扶壁柱：-9584kNm）
图2.2.4 180度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：5198kNm）
图2.2.5 360度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大弯矩值位于门洞旁的扶壁柱：17742kNm）（最大负弯矩值：-7505kNm）
图2.2.6 360度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于门洞处的扶壁柱：3152kNm）
轴力图 主弯矩图 次弯矩图
图2.2.7 单根扶壁柱内力图
60度180度360度
图2.2.8 不同角度堆煤下柱主弯矩图
可以看出，在煤侧压力作用下，扶壁柱始终表现为受压，柱底截面的压力最大。随着堆煤角度的增大，扶壁柱的主弯矩也由与悬臂梁类似过渡到与一端固接一端简支的梁类似，表现为柱底弯矩逐渐减小（29338~17742），柱上部反弯矩逐渐增大（-6496~-7506）。另外，在堆煤边界处由于牵扯作用导致的扶壁柱在弱轴方向的次弯矩也很大，设计时不容忽视。
扶壁柱的其他方向的受力都不大，如剪力、扭矩等，在此不一一列出。
2.4顶部环梁的受力特点
图2.4.160度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（堆煤中心处拉力最大：3736kN）
图2.4.2180度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（堆煤中心处拉力最大：6389kN）
图2.4.3360度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（最大拉力：7742kN）
图2.4.460度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（堆煤边界处弯矩最大，撕裂作用明显：3121kNm，-2677kNm）
图2.4.5180度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（堆煤边界处弯矩最大，撕裂作用明显：3403， -2441）
图2.4.6360度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（门洞处弯矩最大，撕裂作用明显：2213，-3181）
可以看出，堆煤角度越大，顶部环梁的拉力越大。局部堆煤下，堆煤边界处顶环梁由于受到牵扯而存在撕裂作用，造成两侧的弯矩较大。另外，顶环梁在自重作用下的弯矩也不容忽视。
2.5桩的受力特点
不同的堆煤角度下，单桩的最大水平力和最大竖向力依次为：
堆煤角度 最大水平反力(kN) 最大竖向反力(kN) 最小竖向反力(kN)
60 385 3380 640
100 365 3258 677
140 307 3130 725
180 298 3063 654
220 287 3011 544
260 274 3965 393
300 285 2889 289
360 111 3234 975
可以看出，桩的竖向受力并不大，最大为3380kN，而1000mm直径的冲孔灌注桩的竖向承载力特征值一般能达到5000kN，竖向承载力满足要求。决定桩的承载力的是水平方向上的受力，在局部堆煤的情况下，桩的水平反力达到了385kN，最大反力出现在荷载作用的中心位置处的桩。因此，在进行桩的设计时，局部堆煤作用下的水平承载力起控制作用。
另外值得一提的是桩的最小竖向反力要远小于桩的最大竖向反力。这是由于柱底部受弯，引起环形基础的倾覆作用，造成环形基础内侧的桩受到向上的力。如果基础内侧的堆煤区域太小，基础直接承受的煤堆竖向荷载不足以抵消上述向上的力，则有可能造成内侧桩受拔。因此，因将扶壁柱尽量靠基础外侧布置，以使基础内部有足够的区域承受堆煤竖向荷载，以防止桩受拔。
3结构在温度荷载作用下的受力特点
圆煤仓挡煤墙承受的温度荷载包括季节升温和降温，内外温差。
图3.1 季节升温20度荷载作用下扶壁柱弯矩图（柱脚处弯矩：2648kNm，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.2 季节降温20度荷载作用下扶壁柱弯矩图（柱脚处弯矩：-2648kNm，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.3 季节升温20度荷载作用下顶部环梁轴力图（顶环梁轴压力：-733kNm，与不考虑温度作用相比，增大约10%）
图3.4 季节降温20度荷载作用下顶部环梁轴力图（顶环梁拉力：733kN，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.5 内外温差20度荷载作用下主要构件弯矩图（图中最大弯矩位于柱脚处：637kNm。可见内外温差对主结构影响很小）
4 小结
格构式挡煤墙在承受煤侧压力荷载时，具有如下几个特点：
（1）小角度堆煤时，结构顶部的位移最大；
（2）煤侧压力使得扶壁柱以受弯为主，小角度堆煤情况下柱底弯矩最大，此外扶壁柱的弱轴方向上的弯矩也很大，不容忽视；
（4）顶环梁在煤侧压力作用下也以受拉为主，满仓煤作用下拉力最大；同时，在堆煤边界处顶环梁承受着撕裂作用产生的弯矩；
格构式挡煤墙在承受温度荷載作用时，其受力特点有以下几个方面：
（1）次结构在内外温差作用下的变形，不会对主结构产生较大影响；
（2）结构在承受季节升温作用时，扶壁柱内侧受弯，顶环梁受压；当承受季节降温作用时，扶壁柱外侧受弯，顶环梁受拉；与不考虑温度作用相比，结构内力增大约10%，相应的结构配筋也要加大。
参考文献
[1] GB 50010-2012，混凝土结构设计规范
关键字：格构式挡煤墙；温度荷载；煤侧压力
中图分类号：TB21文献标识码： A
0 引 言
自2006年广东院与武汉大学合作完成了国内第一个整体式圆煤仓挡煤墙——汕尾电厂一期工程圆煤仓的设计以来，国内的封闭式圆煤仓大多采用这一结构形式，取得了一定的成果的同时，也暴露出一些问题。由于整体式挡煤墙环向不设缝，使得结构对于温度作用十分敏感，容易开裂；而为防止墙体开裂需配置大量温度钢筋，由此造成了挡煤墙工程量大，造价偏高，施工周期长的缺点；另外，当煤发生自燃时，结构容易受到损坏，损坏后往往需要煤仓停止运行，对受损处进行修复后才可继续使用，由此也给电厂造成一定的经济损失。为了克服整体式圆煤仓的缺点，本文提出了格构式圆煤仓挡煤墙的结构形式，并对该结构形式的受力特点进行了分析。
1格构式圆煤仓结构特点
格构式挡煤墙将结构分为主构件和次构件（见图1），主结构包括环形基础、扶壁柱和顶环梁，次结构包括次梁和墙板，也可不设置次梁。次构件支承于主构件上。煤侧压力通过次结构传递到主结构上。与整体式相比，仓壁部分的受拉变成了扶壁柱的受弯，利用了混凝土结构抗拉弱抗弯强的特点，实现了结构的优化。
次构件布置在内侧，与煤直接接触，主构件在外侧，受次构件保护，不与煤堆直接接触，从而避免煤自燃对主构件破坏，提高结构的安全度；次结构简支在主结构上，在承受温度荷载作用时可以自由变形，从而使温度应力得到释放，达到减少配筋的目的。
图1、格构式圆煤仓挡煤墙
和整体式原煤仓一样，格构式圆煤仓也主要受煤侧压力和温度荷载的影响。本文采用通用有限元软件MIDAS GEN 730用于格构式圆煤仓挡煤墙的建模和分析工作。有关的结构建模假定依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2012）[1]来进行。
2格构式圆煤仓在煤侧压力作用下的受力特点
首先考虑的是结构在煤侧压力的作用。下面将结构在不同角度堆煤荷载作用下的变形和内力以图表的形式给出，计算结果中同时还包含了结构自重的影响。
2.1结构在煤侧压力作用下的变形
图2.1.1 60度堆煤荷载下结构位移图
（结构最大位移：39mm，位于荷载中心处顶环梁）
图2.1.2 180度堆煤荷载下结构位移图
（结构最大位移：30mm，位于堆煤边界处顶环梁）
图2.1.3 360度（满仓煤）堆煤荷载下结构位移图（结构最大位移：13mm）
60度 180度360度状
图2.1.460~360度堆煤荷载下扶壁柱变形形状
从变形图上可以看出，在局部堆煤作用下，堆煤处的扶壁柱变形表现为顶部最大，底部最小，变形形状与悬臂梁相同，整个结构的变形表现为：堆煤处结构向外突出，附近的结构受到牵扯，远处的结构变形很小；当增大堆煤角度后，堆煤处的扶壁柱的变形逐渐出现弯曲的特点，顶部的位移受到更大的约束；在满仓煤作用下，扶壁柱的变形与一个端固接一端简支的梁类似，靠近简支端的跨中某一处位移最大。扶壁柱的变形也决定了整个结构的变形，整个挡煤结构在满仓煤作用下表现为：结构中上部向外膨胀明显，顶部和底部的变形受到明显的约束，变形形状像一个水桶。
2.2扶壁柱的受力特点
图2.2.1 60度堆煤荷载下扶壁柱主弯矩图
（最大弯矩值位于荷载中心的扶壁柱：29338kNm）（最大负弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：-6496kNm）
图2.2.2 60度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：3645kNm）
图2.2.3 180度堆煤荷载下扶壁柱主弯矩图（最大弯矩值位于堆煤边界以内第二根扶壁柱：23038kNm）（最大负弯矩值位于荷载中心的扶壁柱：-9584kNm）
图2.2.4 180度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于堆煤边界处的扶壁柱：5198kNm）
图2.2.5 360度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大弯矩值位于门洞旁的扶壁柱：17742kNm）（最大负弯矩值：-7505kNm）
图2.2.6 360度堆煤荷载下扶壁柱次弯矩图（最大次弯矩值位于门洞处的扶壁柱：3152kNm）
轴力图 主弯矩图 次弯矩图
图2.2.7 单根扶壁柱内力图
60度180度360度
图2.2.8 不同角度堆煤下柱主弯矩图
可以看出，在煤侧压力作用下，扶壁柱始终表现为受压，柱底截面的压力最大。随着堆煤角度的增大，扶壁柱的主弯矩也由与悬臂梁类似过渡到与一端固接一端简支的梁类似，表现为柱底弯矩逐渐减小（29338~17742），柱上部反弯矩逐渐增大（-6496~-7506）。另外，在堆煤边界处由于牵扯作用导致的扶壁柱在弱轴方向的次弯矩也很大，设计时不容忽视。
扶壁柱的其他方向的受力都不大，如剪力、扭矩等，在此不一一列出。
2.4顶部环梁的受力特点
图2.4.160度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（堆煤中心处拉力最大：3736kN）
图2.4.2180度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（堆煤中心处拉力最大：6389kN）
图2.4.3360度堆煤荷载作用下顶部环梁轴力图（最大拉力：7742kN）
图2.4.460度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（堆煤边界处弯矩最大，撕裂作用明显：3121kNm，-2677kNm）
图2.4.5180度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（堆煤边界处弯矩最大，撕裂作用明显：3403， -2441）
图2.4.6360度堆煤荷载作用下顶部环梁弯矩图（门洞处弯矩最大，撕裂作用明显：2213，-3181）
可以看出，堆煤角度越大，顶部环梁的拉力越大。局部堆煤下，堆煤边界处顶环梁由于受到牵扯而存在撕裂作用，造成两侧的弯矩较大。另外，顶环梁在自重作用下的弯矩也不容忽视。
2.5桩的受力特点
不同的堆煤角度下，单桩的最大水平力和最大竖向力依次为：
堆煤角度 最大水平反力(kN) 最大竖向反力(kN) 最小竖向反力(kN)
60 385 3380 640
100 365 3258 677
140 307 3130 725
180 298 3063 654
220 287 3011 544
260 274 3965 393
300 285 2889 289
360 111 3234 975
可以看出，桩的竖向受力并不大，最大为3380kN，而1000mm直径的冲孔灌注桩的竖向承载力特征值一般能达到5000kN，竖向承载力满足要求。决定桩的承载力的是水平方向上的受力，在局部堆煤的情况下，桩的水平反力达到了385kN，最大反力出现在荷载作用的中心位置处的桩。因此，在进行桩的设计时，局部堆煤作用下的水平承载力起控制作用。
另外值得一提的是桩的最小竖向反力要远小于桩的最大竖向反力。这是由于柱底部受弯，引起环形基础的倾覆作用，造成环形基础内侧的桩受到向上的力。如果基础内侧的堆煤区域太小，基础直接承受的煤堆竖向荷载不足以抵消上述向上的力，则有可能造成内侧桩受拔。因此，因将扶壁柱尽量靠基础外侧布置，以使基础内部有足够的区域承受堆煤竖向荷载，以防止桩受拔。
3结构在温度荷载作用下的受力特点
圆煤仓挡煤墙承受的温度荷载包括季节升温和降温，内外温差。
图3.1 季节升温20度荷载作用下扶壁柱弯矩图（柱脚处弯矩：2648kNm，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.2 季节降温20度荷载作用下扶壁柱弯矩图（柱脚处弯矩：-2648kNm，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.3 季节升温20度荷载作用下顶部环梁轴力图（顶环梁轴压力：-733kNm，与不考虑温度作用相比，增大约10%）
图3.4 季节降温20度荷载作用下顶部环梁轴力图（顶环梁拉力：733kN，与不考虑温度作用相比，增大约9%）
图3.5 内外温差20度荷载作用下主要构件弯矩图（图中最大弯矩位于柱脚处：637kNm。可见内外温差对主结构影响很小）
4 小结
格构式挡煤墙在承受煤侧压力荷载时，具有如下几个特点：
（1）小角度堆煤时，结构顶部的位移最大；
（2）煤侧压力使得扶壁柱以受弯为主，小角度堆煤情况下柱底弯矩最大，此外扶壁柱的弱轴方向上的弯矩也很大，不容忽视；
（4）顶环梁在煤侧压力作用下也以受拉为主，满仓煤作用下拉力最大；同时，在堆煤边界处顶环梁承受着撕裂作用产生的弯矩；
格构式挡煤墙在承受温度荷載作用时，其受力特点有以下几个方面：
（1）次结构在内外温差作用下的变形，不会对主结构产生较大影响；
（2）结构在承受季节升温作用时，扶壁柱内侧受弯，顶环梁受压；当承受季节降温作用时，扶壁柱外侧受弯，顶环梁受拉；与不考虑温度作用相比，结构内力增大约10%，相应的结构配筋也要加大。
参考文献
[1] GB 50010-2012，混凝土结构设计规范