圓形筒倉倉上建筑加層改造設計分析

肖 海 濤

(山西約翰芬雷華能設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計分析

肖 海 濤

(山西約翰芬雷華能設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力、應力計算結果,對原結構關鍵部位進行校核，分析了每種改造方案的可行性，分析表明結構加固改造應針對原結構的具體情況，綜合考慮結構安全、施工簡單、工期短、造價低等多方面因素，選用最佳設計方案。

加固改造，倉上建筑，應力，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，基礎采用混凝土灌注樁基礎，采用筒壁與柱共同支撐形式，筒壁與倉壁均厚250 mm。倉頂環梁標高31.200 m，頂部錐殼厚度200 mm，標高33.000 m，原倉倉上建筑有一層，鋼筋混凝土框架結構，砌體墻圍護，檐口標高39.600 m。該倉錐殼內收半徑為4.25 m，倉上建筑框架柱嵌固于錐殼頂部環梁，上部結構荷載通過錐殼傳導于倉頂環梁(原結構布置如圖1所示)。2014年因選煤工藝升級，需將倉上建筑改為兩層，第一層頂標高37.800 m，第二層頂標高43.500 m。第一層荷載基本維持不變，第二層增加來自4號轉載點皮帶機頭部分，設備豎向荷載為215 kN(不包括動力系數)，皮帶啟動拉力為270 kN，第二層頂部設10 t電動葫蘆起吊梁一部。

2 加固改造設計

2.1 設計需確定的條件

1)材料。原結構混凝土強度采用300號，相應于現行規范C28，經回彈檢測并考慮齡期修正，按C25采用。鋼筋強度等級原Ⅰ級鋼筋取fy=210 N/mm2，原Ⅱ級鋼筋fy=300 N/mm2。加固用混凝土強度等級比原結構提高一級采用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，關于如何計算地震作用，業主提出不同意見：因原結構設計采用規范和現行規范跨越時間長，規范規定差異很大，特別是現行《構筑物抗震設計規范》及《建筑抗震設計規范》要求比原規范嚴格很多。按照現行規范考慮地震組合工況對原結構進行改造加固工程量巨大，部分構件加固施工困難，加固周期長，成本很高。且考慮到結構剩余使用年限較短,該結構在生產系統中的重要性較低,同時地震中該結構不會產生嚴重的次生災害，故業主要求本次加固改造分析計算不考慮地震作用，只對結構構件采取相應的抗震構造措施。但這種要求并無相關依據。GB 50191—2012 構筑物抗震設計規范第1.0.4 條指出“抗震設防烈度為6度及以上地區的構筑物，必須進行抗震設計。”該條條文說明：“本條是強制性條文，要求處于抗震設防地區的所有新建構筑物必須進行抗震設計。”該條文特定指出“新建構筑物”必須做抗震設計，對于已有構筑物加固改造如何考慮抗震設計沒有明確規定。查閱《中華人民共和國防震減災法》第三十五條，指出新建、擴建、改建建設工程，應當達到抗震設防要求。查閱GB 50144—2008工業建筑可靠性鑒定標準3.1.1及4.1.2條，指出結構上作用的調查和檢測包括地震作用。可見本次加固改造應當考慮地震作用組合。參考GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準1.0.3條1款丙類建筑應按本地區設防烈度的要求核查其抗震措施并進行抗震驗算。故本工程設計荷載考慮地震作用、恒載、活載(包括儲料)、雪荷載及風載工況。樓面活荷載取4 kN/m2，恒載取0.5 kN/m2(不包括樓板自重)；圍護結構采用輕鋼彩板，取1 kN/m2；屋面活荷載取0.5 kN/m2(與雪荷載取不利)；設備荷載按機制資料取用并考慮動力系數。

3)結構校核部位及順序。本工程對所有結構構件進行了全面校核驗算。原結構校核按倉上建筑→環梁→倉壁→筒壁→基礎的順序展開。校核內容主要有：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，錐殼部分對最終加固方案的確定具有決定作用，故本文重點校核錐殼結構是否滿足要求。

2.2 方案分析比較

應用YJK軟件對各個方案進行整體建模計算。錐殼部分用有限元分析，單元剖分精度取1 m。模型經過處理后使剖分單元節點在上下層處對應一致。計算分析后得到各方案的應力、內力及位移。分析結果表明各方案位移均很小，滿足規范要求。方案比較主要關注本工程關鍵構件錐殼部分的環向及徑向受力情況(對于薄殼結構，計算結果表明環向和徑向彎矩較小，校核時可忽略彎矩影響)。因環向受力更不利，優先校核環向受力狀況。

1)方案一。利用原有倉上建筑做加層，在標高37.800處增設梁板結構。拆除原屋面，新設屋面于標高43.500處，原框架柱相應加高。立面布置如圖2所示。錐殼部分有限元分析結果如圖3～圖6所示。由圖3可知，對于目標組合最大值，錐殼大部分拉應力大于C25混凝土的抗拉強度設計值1.27 N/mm2，需根據內力計算配筋。以圖4受力為422 kN/m單元為例計算環向配筋：422×1 000/210=2 010 mm2/m。原結構配筋為上下層各Φ8@200,配筋面積為251×2=502 mm2/m。配筋面積明顯不足，需補強。對于錐殼加固施工難點在于，需要在倉內施工且是高空作業，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，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。在方案一的基礎上把倉壁加高至標高33.000 m處。加高的倉壁頂面和錐殼內側環梁用鋼筋混凝土板連接。立面布置如圖7所示。此方案使上部結構傳來荷載部分分擔給新加水平板。計算結果如圖8,圖9所示。由圖8可知對于目標組合最大值，錐殼環向拉應力小于C25混凝土的抗拉強度設計值1.27 N/mm2，可根據構造配筋。據JGJ 22—2012鋼筋混凝土薄殼結構設計規程3.3.4條，環向配筋面積最小值為0.25%×200×1 000=500 mm2/m，和原結構配筋相同，滿足要求。同理根據圖9,圖10計算，徑向配筋也取構造配筋，原結構滿足要求。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，但在增設水平環板時，環板的徑向鋼筋均需錨固到原錐殼頂部環梁內，植筋數量大，對原環梁結構損傷嚴重，需要在倉內做臨時支護，對施工要求很高。如不能保證新加板和原錐殼協調工作，結構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構框架梁底標高以下，使原結構與新加樓層完全脫離。此方案使錐殼荷載減小而

無需復核。只需校核倉頂環梁及其以下的結構構件。本方案立面布置及計算簡圖見圖11，圖12。本方案對原結構拆除量小，對關鍵構件沒有損傷，有效的縮短了工期，且植筋均在安全儲備較大的豎向構件上，施工方便。經分析校核，原結構構件均滿足設計要求，本方案可行。本方案還可以做進一步優化：將新加結構全部采用鋼構件，在倉頂環梁處植筋設置柱腳底板。鋼構件全部在工廠加工制作，現場吊裝安裝。優化后的方案可取得更好的經濟效益。

3 結語

該工程工作量不大，但難度較大，且時間緊迫。因此，方案的選擇及優化就顯得非常重要。混凝土結構的加固改造設計，應綜合考慮安全、施工、工期、造價等多方面技術經濟因素，盡量不損傷關鍵構件，保留有利用價值的結構構件，避免不必要的拆除或更換。同時工業建筑加固改造還需要工藝、機制等專業的默契配合，良好的溝通協作才能使改造設計做到精益求精。

[1] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].

[2] GB 50583—2010，選煤廠建筑結構設計規范[S].

[3] GB 50367—2013，混凝土結構加固設計規范[S].

[4] JGJ 22—2012，鋼筋混凝土薄殼結構設計規程[S].

[5] GB 50191—2012，構筑物抗震設計規范[S].

[6] GB 50144—2008，工業建筑可靠性鑒定標準[S].

[7] GB 50023—2009，建筑抗震鑒定標準[S].

[8] 《貯倉結構設計手冊》編寫組.貯倉結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[9] 陳岱林.結構軟件難點熱點問題應對和設計優化[M].北京：中國建筑工業出版社，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