脱硫石膏库设计新技术浅析

脱硫石膏库设计新技术浅析

曹东

大唐环境产业集团股份有限公司北京100097

摘要：本文对脱硫石膏库结构设计背景技术进行了技术介绍，提出了一种结构设计新技术，并根据新技术特点进行了分析和实例验证，证实了新技术的技术优势。

关键词：脱硫；石膏库

背景技术

湿法脱硫是当今社会烟气SO2治理的主要技术，石膏是此工艺的一项主要副产物，此副产物在工艺流程中一般是通过真空脱水皮带、输送皮带输送到石膏库中。通常的工艺布置形式是石膏库设置在厂房底层，石膏库上方设置输送皮带层和真空皮带层。湿法脱硫工艺石膏副产物产量较大，石膏在石膏库中为粉状存在且堆高较高（通常在4米以上），石膏本身将对厂房石膏库维护墙体（挡料墙）产生水平压力，常规的砌体填充墙难以承受此种水平力，目前石膏库挡料墙墙体一般为钢筋混凝土材料。

图1：石膏库现场图片

在石膏库挡料墙的设计中，目前主要有三种形式：

第一种形式是将挡料墙与厂房框架脱开设计，将挡料墙设计成独立的挡土墙形式。此种形式优点是受力明确，厂房框架柱基本不受石膏侧向水平力的影响，但此种形式缺点明显：1）人为将石膏挡料墙与框架柱脱开设计，使挡料墙与框架各成体系，模型简化不合理；2）挡土墙形式的挡料墙因结构体系与框架脱开，挡土墙本身须有基础且挡墙基础压在框架基础之上，挡料墙造价较高，当遇到湿陷性黄土地区或其它需要地基处理等特殊条件时，此种形式挡料墙将因地基处理而显得更加浪费且施工不便；3）挡料墙与厂房框架因变形不一致，极易造成挡料墙外侧突出框架柱，形成一种外形安全隐患；4）挡土墙形式的石膏挡料墙因墙壁根部受力较大，设计人员往往将墙壁外侧或内侧设计为一定的坡度，造成墙壁外观缺乏美感。

第二种形式的挡料墙是将挡料墙与框架柱浇注在一起，挡料墙与框架柱联合做成条形基础。此种形式的挡料墙借鉴了民用高层地下室外墙的做法，相较第一种形式挡料墙有了明显进步，但此种形式挡料墙因仍需做基础且挡料墙较高，其造价及地基处理费用较高。

第三种形式的挡料墙是将挡料墙简化为四面（或两面）固定的单向（或双向）板模型，将框架柱简化为主梁，库料通过板将力传递给框架柱。此种模式的挡料墙能解决挡料墙基础及地基处理的问题，但其受力模型简化不科学且不真实（挡料墙不输入模型）。人为将库料所有荷载最终传递给框架柱承担，造成框架柱截面及配筋均较大，给人造成“肥梁胖柱”的印象。此种形式挡料墙因在厂房框架的计算模型中未输入模型，对框架上层抗震计算结果会造成失真情况。

1脱硫石膏库新设计新技术

本文根据背景技术相关问题，提出一种组合受力无基础钢砼挡料墙设计技术。该挡料墙将钢砼挡料墙和厂房钢砼框架连在一起，使挡料墙和框架体系组合受力；并且不设挡墙基础，充分利用厂房框架上层传来的竖向力抵抗库料对挡墙的水平倾覆力，以达到既能充分降低造价又较美观的效果。

本技术实施方案实施如下：

图1为本实施例的组合受力无基础钢砼挡料墙的框架模型示意图，图2为该挡料墙的钢筋配置示意图。

图2图3

如上图2和图3所示，钢筋混凝土挡料墙2与厂房钢砼框架的框架柱1浇筑在一起。上暗梁5与下暗梁6设于钢筋混凝土挡料墙2内部，暗梁内的受力钢筋

13沿水平方向贯通框架柱1。框架基础3用于支撑框架柱1，并与与下暗梁6浇注在一起。下暗梁6的水平受力钢筋14和钢筋混凝土挡料墙2内部的竖向受力钢筋15锚固在所述框架基础3内，挡料墙2内部的横向受力钢筋也贯通框架柱1。框架柱1在暗梁5、6之间同挡料墙共同受力。挡料墙和厂房框架形成组合受力的挡料墙结构。该图2还包括框架梁4，位于挡料墙顶部（图2所示为部分框架梁），用于承担库料的部分水平荷载。

本发明利用挡料墙和框架体系组合受力，充分利用厂房框架上层传来的竖向力抵抗库料对挡墙的水平倾覆力；并且不设挡墙基础，仅利用框架基础承受库料及上层框架的荷载。下面具体说明受力情况。

图4为图2中的组合受力无基础钢砼挡料墙的受力示意图，如该图所示，挡料墙主要受上层框架砌体竖向荷载F1和库料三角形荷载F2的作用。图4

本实施例采用中国建筑科学研究院的PKPM等大型结构计算软件进行建模计算。具体地，可以根据如下条件建立模型并进行计算：框架柱1在暗梁5、6之间部分和暗梁5之上部分的截面相同，暗梁间框架柱截面形式及配筋类同高层地下室外墙部分框架柱；在挡料墙顶部，设置框架梁4，其特点是主要使其承担部分库料水平荷载；暗梁5之上直接砌筑框架填充墙；暗梁6与基础3浇注在一起，挡料墙内竖向受力钢筋锚固在基础3内；挡料墙刚度较大，有抗震耗能作用，对挡料墙以上厂房框架计算结果有较大影响。

在PKPM（国内建筑结构专业较常用的大型计算软件）计算模型中，库料水平荷载可加载在框架柱上，挡料墙在模型中主要起刚度控制作用，挡料墙配筋应以按框架翼缘模型（将挡料墙简化成框架柱1的翼缘）的计算结果配筋（或另行简化模型算出配筋）。暗梁配筋应手算校核并充分考虑其抗扭配筋。

此挡料墙计算较常规计算相对复杂，需要进行两阶段建模计算并进行两算对比：

第一阶段建模是将挡料墙和框架体系整体建模计算，此种计算目的是计算出挡料墙以上的框架梁柱计算结果；

第二阶段建模是在第一阶段建模的基础上人为在挡料墙以下再增一层框架柱（仅用于计算），此阶段目的是计算出挡料墙以下框架柱配筋结果（并做为计算框架基础用），此结果做为挡料墙与基础浇注在一起面积及挡料墙竖向钢筋锚入基础内钢筋多少的依据，而此阶段计算出的挡料墙以上框架体系的计算结果仅做参考（以第一阶段的计算结果为准）。为安全起见，本发明技术方案考虑两算对比，此两算对比非常规所说的两种软件计算结果对比，而是指将第一阶段模型中的挡料墙与框架柱部分简化成带翼缘的框架柱调整模型再行计算，将此种模型的计算结果与两阶段模型计算结果对比分析，从而得出最终结果。

2脱硫石膏库新设计新技术工程实例

1）工程概况：

燃煤电厂2×600MW机组脱硫工程，石膏库位于一综合楼内。该综合楼长101米，宽18米，高32.8米。石膏库本身长63米，宽18米，高12.3米，位于综合楼底层端部。石膏库上方有三层楼层（高度为20.5米）。根据综合楼框架柱网布置，石膏库内横向为9米跨（7跨，共63米），竖向亦为9米跨（2跨，共18米）。石膏库内石膏在四周墙体最高堆积为6.5米高。工程位于湿陷性黄土地区，该工程地基处理整体采用钻孔灌注桩地基处理方式。

2）设计过程：

根据综合楼整体布置及荷载情况，石膏库内框架柱截面采用600mm×600mm（用于横向两侧柱）、700mm×700mm（用于横向当中柱）两种截面，石膏库内框架柱和石膏库上方两层框架柱位置及截面一致。在石膏库内标高6.8米设置框架梁连接石膏库框架柱，石膏库周围档料墙6.8米以下采用钢筋混凝土石膏挡料墙，6.8米以上采用KP1多孔砖填充墙。石膏挡料墙墙厚采用250mm厚（填充墙一般为240mm厚，抹灰后达250mm厚，为美观及支撑上部填充墙考虑采用250mm厚，通过实际验算200mm厚也能满足受力要求）。石膏挡料墙顶部暗梁采用250mm（宽）×500mm（高），底部暗梁采用250mm（宽）×500mm（高），顶部暗梁梁顶标高6.8米，底部暗梁梁底标高-1.2米（框架柱基础顶部标高-0.7米，框架柱基础顶与底部暗梁顶平齐）。

根据上述布置方式进行计算模型输入，进行第一阶段建模计算，将钢砼挡料墙输入模型，库料荷载可集中按柱荷载输入（因挡料墙输入模型且和框架柱浇注一起，库料实际受力为挡料墙承担）。此阶段建模计算因挡料墙本身刚度远大于上部框架，其本身刚度抵抗地震能力较强，挡料墙本身耗掉大部分地震能，挡料墙本身对上部框架抗震有很大贡献作用。根据模型计算，挡料墙主要受库料活载和上部框架柱传来的竖向荷载作用，其受力主要为压弯受力，石膏库内挡料墙顶部的框架梁对挡料墙所受向库外的压力有辅助的内拉作用，其受力主要为拉弯受力。根据计算结果，挡料墙水平及竖向受力钢筋分别采用直径18mm间距150mm的二级钢筋即可（双层双向），挡料墙内的框架柱（截面600mm×600mm柱）最大采用16根直径25mm二级钢筋即满足要求（箍筋为直径10mm间距150mm的井字箍）。石膏库内挡料墙顶部框架梁因拉弯受力，其配筋明显较小（此框架梁300mm×800mm截面，梁顶受压钢筋采用4根直径16mm的二级钢筋，梁底受拉钢筋采用4根直径18mm的二级钢筋）。石膏库内横向当中排框架柱主要受压作用（截面700mm×700mm柱，水平力基本由挡料墙承担了），其配筋采用16根直径25mm的二级钢筋即可（箍筋为直径10mm间距150mm的井字箍）。此计算模式特别需要注意的是，框架柱在挡料墙顶部刚度变化较大，其计算结果会发现挡料墙顶部以上框架柱配筋明显增大（柱角筋为4根直径28mm的二级钢筋，柱四边钢筋为16根直径25mm的二级钢筋，箍筋为直径12mm间距100mm的井字箍），挡料墙顶和上层框架间框架柱配筋构造需满足抗震规范等构造要求。

第二阶段建模是在第一阶段模型基础上在挡料墙以下再增一层框架柱进行计算。本实例考虑增层框架层高为2m，增层后，挡料墙及框架柱将库料受力及上部框架所受荷载传递给增层后的底部框架柱，根据计算结果发现，原定框架柱严重超筋（截面小，刚度不足缘故），其计算结果为框架柱钢筋需用26根直径25mm的二级钢筋，因增层柱为人为增层，其计算结果中出现的超筋现象可不予理会，仅将柱钢筋计算结果作为第一阶段建模计算挡料墙钢筋锚入基础多少的依据（根据面积代换将挡料墙内一阶段计算出的50根直径18mm间距150mm的双层竖向钢筋锚入基础内，根据计算，挡料墙需有至少3600mm长同基础一起浇注）。

为安全起见，进行两算对比，将挡料墙和挡料墙内的框架柱简化成翼缘宽3600mm，翼缘厚250mm，腹板厚600mm，截面总高为600mm的带翼缘框架柱进行计算（简化方法参见相关规范）。因简化后带翼缘框架柱刚度弱于挡料墙和框架柱组合刚度，计算结果中各个构件受力及配筋结果较大于本实例第一阶段和第二阶段建模计算结果，但其各个构件受力情况和第一及第二阶段建模计算结果基本一致，各个构件计算配筋形式及大小也和第一及第二阶段建模计算结果相一致，从而证明本实例第一第二阶段建模计算结果的正确。

此种形式的挡料墙施工建造过程中可先进行框架柱基础施工，施工基础时注意将挡料墙内竖向钢筋提前锚入基础内再行浇注。施工过程简单方便，建造完成后效果安全、经济、美观。

本发明与现有挡料墙的受力对比分析、所需费用对比分析（依据以上实例）：

本实例将挡料墙与框架柱组合受力，充分利用钢砼挡料墙刚度大、抵抗荷载较强、抗震强的特点，使挡料墙主要承担了库料水平压力和地震力，其框架柱仅起到辅助受力作用。本实例挡料墙部分所涉及的混凝土材料约为324m3，钢筋约60吨，涉及挡料墙部分造价约为43万元。

在同等条件下本实例若采用背景技术所述的第一种形式来设计，挡料墙和框架柱脱开设计，挡料墙墙壁成为悬臂结构，挡料墙形式设计类似挡土墙设计，因地处湿陷性黄土地区，挡料墙本身还需进行地基处理，采用此方式计算，则挡料墙部分需用混凝土材料约为1000m3，钢筋约130吨，涉及挡料墙部分造价约为92万元。本发明实例造价为此背景技术造价的47%，节省造价约53%。

在同等条件下本实例若采用背景技术所述的第二种形式来设计，挡料墙和柱共同受力，但挡料墙较高且需做基础和地基处理，采用此方式计算，则挡料墙部分需用混凝土材料约为600m3，钢筋约108吨，涉及挡料墙部分造价约为78万元。本发明实例造价为此背景技术造价的55%，节省造价约45%。

在同等条件下本实例若采用背景技术所述的第三种形式来设计，挡料墙不进入模型，挡料墙按双向板设计，则本挡料墙内框架柱截面需达到600mm×900mm以上，挡料墙本身则需设计到300mm厚以上，采用此方式计算，则挡料墙部分需用混凝土材料约为390m3，钢筋约71吨，涉及挡料墙部分造价约为52万元。本发明实例造价为此背景技术造价的83%，节省造价约17%。由于此背景技术挡料墙不进入模型参与计算，而实际设计中挡料墙与框架柱又浇注一起，挡料墙的作用在框架计算过程中没有完全体现，造成框架梁柱比实际所需截面要大且配筋比实际要多，此背景技术间接造价浪费约达至少20万元以上。综合比较，本发明实例造价约为此背景技术造价的60%，节省造价约40%。

3结论

综合以上分析，新技术设计特点是：将钢砼挡料墙和厂房钢砼框架连在一起，整体建模计算，使挡料墙和框架体系组合受力。钢筋混凝土挡料墙挡料墙在整个结构体系中因其较大的刚度，承担厂房和库房的主要荷载，暗梁间框架柱在受力中仅起到扶壁作用，厂房钢砼框架的框架梁也承担库料的部分水平荷载。该挡料墙充分利用了厂房框架上层传来的竖向力抵抗库料对挡墙的水平倾覆力，不设挡墙基础，仅利用框架基础承受库料及上层框架的荷载。该挡料墙借鉴了民用高层地下室外墙设计的特点，并在此基础上与库料房具体受力特征相结合，充分考虑了厂房框架体系和挡料墙的受力特征。同现有技术相比，其优点如下：

1）框架柱在挡料墙内外截面一致，截面及配筋均较经济；2）挡料墙本身截面及配筋均较经济；3）挡料墙本身节省了基础和地基处理费用；4）石膏挡料墙及框架体系整体受力更真实合理，挡墙上部框架抗震更有利；5）外型美观，施工方便、节省造价，对湿陷性黄土地区可节省挡料墙的地基处理费用；6）广泛适用于工业厂房各种库房挡料墙，尤其适用于脱硫行业的石膏库挡料墙。

作者简介：

曹东，1977年生，男，汉族，高级工程师，研究方向：脱硝反应器、钢结构框架智能设计、烟风道智能设计、限额设计、特种结构、施工安装等。全国发明创业奖人物奖获得者。