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摘要：本文结合郑新三期工程圆形煤筒仓钢锥壳仓顶设计，对仓顶结构方案的选择，钢锥壳计算简图的确定等作了详细的阐述。对大型火力发电厂筒仓仓顶钢锥壳设计有重要的参考价值。
关键词：筒仓、仓顶结构型式、钢锥壳、计算模型、设计与施工
TM621
1. 引言
圆形煤筒仓仓顶为皮带层，皮带层上部及两侧一般为钢结构轻型封闭。火力发电厂大直径煤筒仓仓顶均为钢筋混凝土锥壳结构，即仓壁自一定高度起至仓顶之间为一正放圆锥台外形的壳体结构。锥壳壁厚比筒壁处厚度大，相应地自重也很大，这不仅会导致基础桩数增多，基础配筋增大，而且因头重的特点还会引起地震效应增大，使得筒壁配筋增大；另一方面，从施工来看，为浇筑钢筋混凝土锥壳顶盖，要借助筒壁强度，在筒仓内部从零米到筒顶搭设四十米高的满堂脚手架，搭设和拆除的施工难度都很大。同时锥壳可以拆模后，方能开始拆除脚手架，拆至仓内下部犁煤器伞形锥体以下，才有可能支模浇筑该锥体，整个施工周期很长。仓顶采用钢锥壳，锥壳外围封闭采用薄钢板，顶板采用压型钢板底模现浇板，自重大幅度减轻，还可以从零米开始采用顶升滑模法施工，避免搭设满堂脚手架，从而很好地解决钢筋混凝土锥壳施工带来的这些问题。
２. 工程概况
郑新三期２x200MW扩建工程，在距原有5个储煤筒仓40米处新建４个筒仓。筒仓外径２２米，筒体高度４０.６８米，每个筒仓储煤量１.2万吨，新老筒仓间设皮带通道连接栈桥。因工期要求紧，同时施工场地极其狭窄，筒仓外侧即为施工与生产共用通行道路，业主与施工单位共同要求设计方修改传统设计方案，同时还要求尽可能地减少投资。我们与施工方经过协商讨论，将设计与施工方案相结合，确定了仓顶钢锥壳的结构设计方案。
３.钢锥壳结构方案的选择
３．１主体结构的选择
钢筋混凝土锥壳结构形式的突出优点是结构刚度大，能够承担较大不均匀荷载作用，且变形很小，计算方法也很明确、简单，所以设计者一直都习惯沿用这种方式。
本期#7，8，9筒仓顶层纵横方向分别对称，布置较为规则。#6筒仓仓顶一侧因架设2个40米跨栈桥，导致沿纵向荷载严重不对称。在水平地震作用下，仓顶出现较大扭矩。这就要求顶部锥壳结构首先具有较大的竖向及水平刚度。结合下部圆形筒壁，结构形式定为沿圆锥台设16边形斜柱支撑体系，斜柱间设交叉撑。经分析比较，如果上部结构及荷载完全对称，间距９０度设一道交叉撑最经济合理。但本工程#6筒仓上部结构及荷载不对称，所以每对斜柱间都布置了交叉撑，这种形式具有良好的竖向、水平及扭转刚度。
３．２楼盖结构的选择
筒仓顶层平面楼盖结构的主承力体系为一道环梁、四道通长纵向钢梁及较为均匀分布的楼层钢横梁组成的交叉梁系。
仓顶的楼板选用有两种方案：一种是钢盖板方案。其优点是自重小，缺点是斜柱与环梁交接处，环梁承担径向压力，有平面外弯矩及变形。另外栈桥皮带运行时，楼面振动及噪声较大，同时很难解决运行每班水冲洗的防水要求；一种是压型钢板底模现浇混凝土楼板方案。其优点是水平力通过抗剪栓钉传递给楼板，梁不存在平面外弯矩及局部变形问题，缺点是自重较大。两种方案各有优劣，只有通过建模计算比较确定。
4. 筒仓钢锥壳结构分析
4．１钢锥壳结构建模
钢锥壳结构运用了staad pro 程序建模计算。梁、柱采用杆单元，楼板采用板单元。柱选用规格为HW400x400x13x21宽翼缘H型钢，环梁选用规格为WH800x400x14x22焊接H型钢，内部交叉梁选用规格为H(800~1000)x400x14x22的焊接H型钢。斜柱底部、顶部及交叉梁与环梁均为铰接连接，这就形成了一个完整的稳定结构体系。模型A即混凝土楼板方案中，交叉梁与环梁通过密布节点与混凝土楼板建立起相互联系。
4.2钢锥壳结构计算分析
4.2.1 楼盖方案的选择对主体结构的影响
计算的目的，是通过对模型A、模型B的分析比较，重点考察作为承上启下的环梁构件是否有足够的刚度，稳定性、强度，同时以此为控制条件，来确定楼板的结构选型。
通过计算，模型A的环梁的水平变形各点均小于0.05mm，环梁的环向平面外弯矩均小于5KN•m，轴力小于60KN。
水平变形各点最大为X向1.49mm，满足设计规范要求。但模型B水平变位是模型A的30倍。
弯矩最大值为116.5 KN•m。轴力最大值为654KN。模型Ｂ无论是平面外弯矩，轴力都远远大于模型A。
通过计算分析，可以得出由于有钢筋混凝土楼板的参与，对于环梁而言，无论是轴力、平面外弯矩还是平面外变形，都锐减。计算环梁时，只需计算强度及竖向变形即可。又因为钢筋混凝土楼板的组合作用，强度和变形相对单纯钢梁有很大改善。
对于斜柱的影响，由于模型A的楼盖自重要大于模型Ｂ，模型A的斜柱轴力最大为610KN，模型B的斜柱轴力最大为460KN。由于斜柱为轴心轴力构件，模型A的斜柱断面选型相比模型B大的有限。
经过综合比较，最终选择了压型钢板底模现浇混凝土楼板方案。
4.2.２ 主体结构的计算分析
在恒活荷载作用下，环梁与斜柱交接处竖向变形最大为0.02mm。在地震效应作用下，顶层层间X,Z最大变形量为4mm，楼层X,Z方向变形相对均匀，层间位移角为1/1175。
这说明主体结构无论是竖向、水平及扭转刚度均很大，能够很好的满足设计要求。
5. 筒仓钢锥壳结构的经济性比较
郑新三期工程筒仓侧壁采用滑模施工，钢锥壳作为滑模架的一部分，梁、柱钢骨架预先在地面制作，并在仓壁零米混凝土浇注前吊装至筒壁滑模模板顶，跟随筒壁的滑模施工一直升至最终标高，省去了大部分构件的高空组装费用。四个筒的施工，做了两组滑模架。施工单位技术人员利用钢锥壳骨架，使得施工人员的上、下交通和物资的运输只靠一个简易起吊架即可。筒仓底部倒放锥壳及伞形锥体的施工，也是通过滑升过程中的钢锥壳骨架简单解决的混凝土浇筑问题。除了钢锥壳的就位，整个施工过程中没用大型起重设备。
经施工单位仔细核算比较，每座筒仓钢锥壳用钢量65吨，较钢筋混凝土锥壳在材料方面多花费约28.4万；而施工费用上，每座筒仓省出38.6万。综合比较，每座筒仓要省10.2万，四个仓总共省下40.8万，有着良好的经济效益。
６. 筒仓钢锥壳结构的施工工期
钢筋混凝土锥壳结构形式采用满打脚手架施工，竖壁每天能浇筑混凝土高度0.7米，斜壁每天能浇筑混凝土高度0.4米，主体完成需花65天。钢筋混凝土锥壳结构形式如果采用滑模施工，滑模架的制作及组装需要7天，可在基础施工时完成，筒壁施工时每一天能往上滑3米，12天可完成筒壁主体。主体完工后开始搭设满堂脚手架以及钢筋混凝土顶部锥壳的支模、浇注和养护、拆模、拆除脚手架，然后才能开展底部倒放锥壳及伞形锥体的施工。钢锥壳结构形式的筒体采用滑模施工，同样12天便可完成筒壁主体，即可展开顶板压型钢板底模铺设和現浇楼面的施工，还可同时施工内部倒放锥壳及伞形锥体，比前方案均提前2个月。顶层平台为钢锥壳时，施工压型钢板底模现浇混凝土楼板的同时，还可展开皮带层轻型封闭的钢结构施工，这一层施工也比前方案工期至少少一个星期。
本期4个筒仓采用钢锥壳结构方案及滑模顶升工艺施工，总体施工周期和前期筒仓相比，施工周期要少花上4个月。
７.结语
通过对郑新三期筒仓的细致计算及研究，筒仓设计上采用钢锥壳仓顶，施工采用顶升滑模法，无论从结构安全角度上，还是投资经济性，施工周期上而言都能够达到满意的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：筒仓、仓顶结构型式、钢锥壳、计算模型、设计与施工
TM621
1. 引言
圆形煤筒仓仓顶为皮带层，皮带层上部及两侧一般为钢结构轻型封闭。火力发电厂大直径煤筒仓仓顶均为钢筋混凝土锥壳结构，即仓壁自一定高度起至仓顶之间为一正放圆锥台外形的壳体结构。锥壳壁厚比筒壁处厚度大，相应地自重也很大，这不仅会导致基础桩数增多，基础配筋增大，而且因头重的特点还会引起地震效应增大，使得筒壁配筋增大；另一方面，从施工来看，为浇筑钢筋混凝土锥壳顶盖，要借助筒壁强度，在筒仓内部从零米到筒顶搭设四十米高的满堂脚手架，搭设和拆除的施工难度都很大。同时锥壳可以拆模后，方能开始拆除脚手架，拆至仓内下部犁煤器伞形锥体以下，才有可能支模浇筑该锥体，整个施工周期很长。仓顶采用钢锥壳，锥壳外围封闭采用薄钢板，顶板采用压型钢板底模现浇板，自重大幅度减轻，还可以从零米开始采用顶升滑模法施工，避免搭设满堂脚手架，从而很好地解决钢筋混凝土锥壳施工带来的这些问题。
２. 工程概况
郑新三期２x200MW扩建工程，在距原有5个储煤筒仓40米处新建４个筒仓。筒仓外径２２米，筒体高度４０.６８米，每个筒仓储煤量１.2万吨，新老筒仓间设皮带通道连接栈桥。因工期要求紧，同时施工场地极其狭窄，筒仓外侧即为施工与生产共用通行道路，业主与施工单位共同要求设计方修改传统设计方案，同时还要求尽可能地减少投资。我们与施工方经过协商讨论，将设计与施工方案相结合，确定了仓顶钢锥壳的结构设计方案。
３.钢锥壳结构方案的选择
３．１主体结构的选择
钢筋混凝土锥壳结构形式的突出优点是结构刚度大，能够承担较大不均匀荷载作用，且变形很小，计算方法也很明确、简单，所以设计者一直都习惯沿用这种方式。
本期#7，8，9筒仓顶层纵横方向分别对称，布置较为规则。#6筒仓仓顶一侧因架设2个40米跨栈桥，导致沿纵向荷载严重不对称。在水平地震作用下，仓顶出现较大扭矩。这就要求顶部锥壳结构首先具有较大的竖向及水平刚度。结合下部圆形筒壁，结构形式定为沿圆锥台设16边形斜柱支撑体系，斜柱间设交叉撑。经分析比较，如果上部结构及荷载完全对称，间距９０度设一道交叉撑最经济合理。但本工程#6筒仓上部结构及荷载不对称，所以每对斜柱间都布置了交叉撑，这种形式具有良好的竖向、水平及扭转刚度。
３．２楼盖结构的选择
筒仓顶层平面楼盖结构的主承力体系为一道环梁、四道通长纵向钢梁及较为均匀分布的楼层钢横梁组成的交叉梁系。
仓顶的楼板选用有两种方案：一种是钢盖板方案。其优点是自重小，缺点是斜柱与环梁交接处，环梁承担径向压力，有平面外弯矩及变形。另外栈桥皮带运行时，楼面振动及噪声较大，同时很难解决运行每班水冲洗的防水要求；一种是压型钢板底模现浇混凝土楼板方案。其优点是水平力通过抗剪栓钉传递给楼板，梁不存在平面外弯矩及局部变形问题，缺点是自重较大。两种方案各有优劣，只有通过建模计算比较确定。
4. 筒仓钢锥壳结构分析
4．１钢锥壳结构建模
钢锥壳结构运用了staad pro 程序建模计算。梁、柱采用杆单元，楼板采用板单元。柱选用规格为HW400x400x13x21宽翼缘H型钢，环梁选用规格为WH800x400x14x22焊接H型钢，内部交叉梁选用规格为H(800~1000)x400x14x22的焊接H型钢。斜柱底部、顶部及交叉梁与环梁均为铰接连接，这就形成了一个完整的稳定结构体系。模型A即混凝土楼板方案中，交叉梁与环梁通过密布节点与混凝土楼板建立起相互联系。
4.2钢锥壳结构计算分析
4.2.1 楼盖方案的选择对主体结构的影响
计算的目的，是通过对模型A、模型B的分析比较，重点考察作为承上启下的环梁构件是否有足够的刚度，稳定性、强度，同时以此为控制条件，来确定楼板的结构选型。
通过计算，模型A的环梁的水平变形各点均小于0.05mm，环梁的环向平面外弯矩均小于5KN•m，轴力小于60KN。
水平变形各点最大为X向1.49mm，满足设计规范要求。但模型B水平变位是模型A的30倍。
弯矩最大值为116.5 KN•m。轴力最大值为654KN。模型Ｂ无论是平面外弯矩，轴力都远远大于模型A。
通过计算分析，可以得出由于有钢筋混凝土楼板的参与，对于环梁而言，无论是轴力、平面外弯矩还是平面外变形，都锐减。计算环梁时，只需计算强度及竖向变形即可。又因为钢筋混凝土楼板的组合作用，强度和变形相对单纯钢梁有很大改善。
对于斜柱的影响，由于模型A的楼盖自重要大于模型Ｂ，模型A的斜柱轴力最大为610KN，模型B的斜柱轴力最大为460KN。由于斜柱为轴心轴力构件，模型A的斜柱断面选型相比模型B大的有限。
经过综合比较，最终选择了压型钢板底模现浇混凝土楼板方案。
4.2.２ 主体结构的计算分析
在恒活荷载作用下，环梁与斜柱交接处竖向变形最大为0.02mm。在地震效应作用下，顶层层间X,Z最大变形量为4mm，楼层X,Z方向变形相对均匀，层间位移角为1/1175。
这说明主体结构无论是竖向、水平及扭转刚度均很大，能够很好的满足设计要求。
5. 筒仓钢锥壳结构的经济性比较
郑新三期工程筒仓侧壁采用滑模施工，钢锥壳作为滑模架的一部分，梁、柱钢骨架预先在地面制作，并在仓壁零米混凝土浇注前吊装至筒壁滑模模板顶，跟随筒壁的滑模施工一直升至最终标高，省去了大部分构件的高空组装费用。四个筒的施工，做了两组滑模架。施工单位技术人员利用钢锥壳骨架，使得施工人员的上、下交通和物资的运输只靠一个简易起吊架即可。筒仓底部倒放锥壳及伞形锥体的施工，也是通过滑升过程中的钢锥壳骨架简单解决的混凝土浇筑问题。除了钢锥壳的就位，整个施工过程中没用大型起重设备。
经施工单位仔细核算比较，每座筒仓钢锥壳用钢量65吨，较钢筋混凝土锥壳在材料方面多花费约28.4万；而施工费用上，每座筒仓省出38.6万。综合比较，每座筒仓要省10.2万，四个仓总共省下40.8万，有着良好的经济效益。
６. 筒仓钢锥壳结构的施工工期
钢筋混凝土锥壳结构形式采用满打脚手架施工，竖壁每天能浇筑混凝土高度0.7米，斜壁每天能浇筑混凝土高度0.4米，主体完成需花65天。钢筋混凝土锥壳结构形式如果采用滑模施工，滑模架的制作及组装需要7天，可在基础施工时完成，筒壁施工时每一天能往上滑3米，12天可完成筒壁主体。主体完工后开始搭设满堂脚手架以及钢筋混凝土顶部锥壳的支模、浇注和养护、拆模、拆除脚手架，然后才能开展底部倒放锥壳及伞形锥体的施工。钢锥壳结构形式的筒体采用滑模施工，同样12天便可完成筒壁主体，即可展开顶板压型钢板底模铺设和現浇楼面的施工，还可同时施工内部倒放锥壳及伞形锥体，比前方案均提前2个月。顶层平台为钢锥壳时，施工压型钢板底模现浇混凝土楼板的同时，还可展开皮带层轻型封闭的钢结构施工，这一层施工也比前方案工期至少少一个星期。
本期4个筒仓采用钢锥壳结构方案及滑模顶升工艺施工，总体施工周期和前期筒仓相比，施工周期要少花上4个月。
７.结语
通过对郑新三期筒仓的细致计算及研究，筒仓设计上采用钢锥壳仓顶，施工采用顶升滑模法，无论从结构安全角度上，还是投资经济性，施工周期上而言都能够达到满意的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。