Finite Elemet Analysis and Design of Side Bunker Structure of Advanced Ultra-supercritical Coal-fired Units

某沿海电厂项目建设2×1 000 MW超超临界燃煤汽轮发电机组。该项目结构设计参数：地震作用：抗震设防烈度７度，地震加速度0.112 g，地震分组第一组，场地类别Ⅱ类。风荷载：50年一遇基本风压为0.8 kN/m²，地面粗糙度类别为A类。

主厂房采用侧煤仓方案。侧煤仓高58.9 m，给煤机层设置于16.970 m，皮带层设置于40.970 m，煤斗吊于31.720 m。侧煤仓一端为转运站，另外一端为电子设备间。

本工程侧煤仓高度较高，超过了纯框架的适用高度，因此不能设计为纯框架煤仓间结构形式^［1-2］。为了提高整个结构的抗侧力水平，本设计采用剪力墙结构。同时，由于短肢剪力墙的抗震性能差，因此本工程在剪力墙设计时注意调整墙肢的长度与剪力墙的厚度；经过验算，侧煤仓在轴线处布置的T、L形剪力墙，不属于短肢剪力墙，而是一般剪力墙，如图1所示，采用该结构布置可以满足规范要求。

Figure 1.  Shear wall size

Figure 1.  Shear wall size

由于煤斗容积大，且工艺不允许按双跨布置， 只能单跨布置，单跨的跨度达18 m，这对结构设计带来了相当大的难度。本设计充分利用了煤斗侧壁，把煤斗侧壁设计为支承煤斗的大梁，同时该大梁向上延伸亦作为皮带层的框架梁。

侧煤仓结构结构布置图如图2和图3所示。

Figure 2.  Layout plan of belt layer of side coal bunker

Figure 3.  Vertical layout of side bunker

由于侧煤仓结构高度较高、承受荷载巨大，因此本设计采用两个不同力学模型的三维有限元空间分析软件SAP2000和SATWE进行结构分析。在SAP2000模型中，剪力墙和煤斗侧壁（煤斗大梁）均采用壳单元模拟。SAP2000和SATWE模型如图4~图5所示。

Figure 4.  SAP2000 model

Figure 5.  SATWE model

对比SAP2000和SATWE模型的振型结果（如图6~图11所示），从中可以发现：两个模型的振型结果是相似的：第一振型为沿纵向的平动，第二振型为沿横向的平动，第三振型为扭转。两个模型的模态分析结果如表1所示。

Figure 6.  First mode shape of SAP2000

Figure 7.  First mode shape of SATWE

Figure 8.  Second mode shape of SAP2000

Figure 9.  Second mode shape of SATWE

Figure 10.  Third mode shape of SAP2000

Figure 11.  Third mode shape of SATWE

从模态分析结果可看出：结构模态和周期结果能满足规范要求，结构选型是合理的。

本分析计算按规范要求^{［1，3-5］}，采用两阶段分析保证结构安全：第一阶段多遇地震作用下弹性分析、第二阶段罕遇地震作用下弹塑性分析。

多遇地震下选用3条地震波形进行多遇地震下的时程分析补充计算；罕遇地震作用下采用PUSHOVER方法，主要结果见表2。

根据地质条件，本项目采用桩基础，采用直径为1 m的冲孔灌注桩，单桩竖向承载力设计值为6 000 kN。桩及承台布置图如图12所示。

Figure 12.  Foundation layout plan

为了更准确地传递上部荷载，模拟不规则承台、反应地基土刚度，反应真实的受力情况，本设计考虑了桩—承台—上部结构的耦合作用。具体做法是：在SAP2000整体模型中建立承台和桩，采用壳单元模拟承台，用土弹簧模拟桩，而桩的刚度通过试桩报告中得出。SAP2000基础模型如图13所示。

Figure 13.  Foundation model of SAP2000

对承台进行内力分析，得出承台顶面与底面两个方向弯矩（如图14和图15所示），根据弯矩值进行承台的配筋设计；并验算承台的抗剪承载力与抗冲切承载力。

Figure 14.  Cap moment M11

Figure 15.  Cap moment M22

该精细化的基础设计，可比传统的基础设计方法，降低基础工程量16%左右。

1）从模型计算结果可以看出，该结构框架部分所承担的总剪力只占基底总剪力的5%左右，比例很小，整个结构工作性能接近于纯剪力墙结构，而框架部分无法承担抗震设防第二道防线的作用，故框架部分地震水平剪力不进行调整。

2）层间最大位移与层高之比限值采用剪力墙结构要求，为1/1 000。

3）剪力墙抗震设计等级为二级，框架抗震设计等级为二级。

在本侧煤仓结构中，剪力墙既作为竖向荷载的承重构件，也是最重要的抗侧力构件，对于整个结构的重要性不言而喻，是本工程重点分析设计的结构构件^［6-7］。

底部加强部位的范围，若按规范要求^［2］，取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值。而对于本工程，在煤斗层荷载很大，所作用的位置很高，边缘构件配筋也比较大，故本项目取底部加强部位高度为底层到煤斗层。

从两个模型的受力分析可以得出，边跨剪力墙的受力较大，而且从振型分析结果可以看出，第三振型为扭转，所以有必要对边跨剪力墙进行加强，以增加结构的整体抗扭刚度。在具体设计时，对边跨剪力墙的墙肢长度加强，并适当加大剪力墙的厚度。

本设计采用SAP2000的壳单元模拟剪力墙，通过全过程应力计算，得出剪力墙沿全高范围内的应力。对应力结果进行分析筛选，得出剪力墙薄弱部位是：位于与煤斗大梁（侧壁）端部连接处，如图16所示。因此在设计中，特别对此部位（即煤斗层及及以上一层）剪力墙配筋进行加强。

Figure 16.  Cloud chart of stress reinforcement at the joint of shear wall and coal scuttle girder

《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）^［8］（2015版）指出，高跨比小于5的梁统称为深受弯构件。对于本工程煤斗大梁（侧壁），其高跨比小于5，按规范要求应按深受弯构件进行设计。在SAP2000模型中用壳单元模拟煤斗大梁（侧壁），煤斗大梁两个方向的应力云图见图17和图18所示。通过应力分析可以看出，煤斗大梁（侧壁）配筋有以下特征：

Figure 17.  Cloud chart of stress reinforcement at the horizontal direction of coal hopper girder

Figure 18.  Cloud chart of stress reinforcement at the vertical direction of coal hopper girder

1）该煤斗大梁跨中配筋较多，支座配筋较少。

2）梁跨中受拉区的面积要比一般梁的要大，范围要到0.2 H（H代表梁高，下同），0.2 H~0.5 H配筋逐渐减少，0.5 H以上配筋很少，基本为构造配筋。

3）梁的配筋整体来看与一般梁有所不同，具备深受弯构件的特征，与《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015版）附录G关于深受弯构件的条款比较吻合。

煤斗大梁在具体设计时，从SATWE模型中抽取梁的内力，在专门计算深受弯构件的结构计算软件中对煤斗大梁进行配筋设计，并与SAP2000配筋结果进行比较，得出梁的受弯受剪钢筋；且按规范要求设置深受弯构件的构造钢筋。同时验算煤侧压作用下的受力以及空斗、满斗情况下梁的受扭作用，综合得出煤斗大梁的最终配筋。

本文通过SAP2000、SATWE两种有限元软件对大跨侧煤仓结构进行分析，对结构选型、抗震性能分析计算、剪力墙设计、煤斗大梁设计等关键问题进行较为详细的论述，得出以下结论：

1）通过对侧煤仓剪力墙剪力墙肢长度与厚度的合理布置，规避了短肢剪力墙，单跨侧煤仓剪力墙结构满足规范要求。

2）侧煤仓SAP2000和SATWE模型的振型结果相近，结构模态和周期结果能满足规范要求，结构选型是合理的。

3）通过多遇地震作用下弹性分析和罕遇地震作用下弹塑性分析来确定侧煤仓结构的抗震性能，分析结果表明侧煤仓抗震性能符合规范要求。

4）本设计考虑了桩—承台—上部结构的耦合作用，在SAP2000整体模型中建立承台和桩，采用壳单元模拟承台，用土弹簧模拟桩。该精细化的基础设计，可比传统的基础设计方法，降低基础工程量16%左右。

5）剪力墙是本设计重点分析的结构构件。分析计算表明：剪力墙底部加强部位为底层到煤斗层；边跨剪力墙需要加强；剪力墙薄弱部位位于与煤斗大梁（侧壁）端部连接处。

6）煤斗大梁的配筋具备深受弯构件的特征，需按深受弯构件进行设计；同时需验算煤侧压作用下的受力以及空斗、满斗情况下梁的受扭作用，综合得出煤斗大梁的最终配筋。