超大型固廢筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討
摘要：超大型固廢筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)和制作在引入公路加筋土擋墻設(shè)計(jì)理念后可以做到構(gòu)造非常簡(jiǎn)單和廉價(jià)，可廣泛應(yīng)用于各種固廢治理和生物質(zhì)能源利用領(lǐng)域。本文將對(duì)超大型固廢筒倉(cāng)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（環(huán)筋）和豎向剛度（立筋）進(jìn)行受力分析，并提出確保筒倉(cāng)體結(jié)構(gòu)安全的解決方案。
關(guān)鍵詞：超大型固廢筒倉(cāng) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 豎向剛度
1.前言
本文所述超大型固廢筒倉(cāng)容量一般在6000立方米以上，可用于儲(chǔ)存生活垃圾或其它固廢料，在安徽省舒城縣垃圾處理場(chǎng)已有實(shí)施先例，有關(guān)此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念及現(xiàn)場(chǎng)照片見論文《生活垃圾分倉(cāng)熟化新技術(shù)及其以污治污功效》1。
超大型固廢筒倉(cāng)不僅可以實(shí)現(xiàn)生活垃圾以污治污，還能夠在其它固廢治理及生物質(zhì)能源利用中得到廣泛應(yīng)用，如：以秸稈和畜禽糞便為原料大規(guī)模生產(chǎn)沼氣和有機(jī)肥、超低價(jià)污泥干化、無滲瀝液處理垃圾填埋場(chǎng)、以及絕對(duì)安全可靠尾礦干化填埋場(chǎng)等。其中一些設(shè)計(jì)實(shí)例見《介紹三項(xiàng)固廢新技術(shù)》2。
固廢筒倉(cāng)之所以能夠做到在具有超大容量的同時(shí)又非常廉價(jià)，其主要原因在于引入了公路加筋土擋墻的設(shè)計(jì)理念。在固廢料中設(shè)置加筋材料后就可以使作用于筒倉(cāng)體的水平力大大減小，這樣筒倉(cāng)體也就可以做得很薄。
本文將對(duì)如何確保筒倉(cāng)體結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行探討。
2.倉(cāng)體結(jié)構(gòu)受力分析
對(duì)任何建筑物的安全評(píng)價(jià)都會(huì)涉及到該建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度兩個(gè)方面。本固廢筒倉(cāng)體亦不例外，倉(cāng)體強(qiáng)度是主要針對(duì)倉(cāng)體環(huán)筋而言，而倉(cāng)體剛度則是主要針對(duì)倉(cāng)體立筋而言。
2.1 倉(cāng)體強(qiáng)度
倉(cāng)體強(qiáng)度主要體現(xiàn)在：在側(cè)向水平力作用下，倉(cāng)體環(huán)形鋼筋是否能夠確保不被拉斷。筒倉(cāng)體所受側(cè)向水平力主要來自兩個(gè)方面：其一是由固廢料堆積產(chǎn)生的側(cè)壓力；其二是固廢料在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的填埋氣壓力。
對(duì)于前者可在固廢料中分層設(shè)置加筋材料以消除大部分因固廢料堆積產(chǎn)生的側(cè)壓力。對(duì)于后者則在固廢料中設(shè)置的排氣裝置可大幅度消減填埋氣對(duì)筒倉(cāng)體的側(cè)壓力，如實(shí)測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)氣體壓力過高，還可以開啟引風(fēng)機(jī)強(qiáng)制抽取填埋氣以迅速減壓。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室鋼筋拉伸試驗(yàn)圖可知：如倉(cāng)體環(huán)筋采用Q235低碳鋼，則當(dāng)其拉伸到達(dá)屈服極限時(shí)，其對(duì)應(yīng)的延伸率約為0.1％，而當(dāng)其拉伸到達(dá)強(qiáng)度極限時(shí)，其延伸率約為16％。一般希望控制環(huán)筋的拉伸變形在彈性變形階段，可以在若干環(huán)筋上粘貼電阻應(yīng)變片觀察實(shí)測(cè)環(huán)筋的拉伸變形。故在實(shí)際應(yīng)用中無須勞神計(jì)算倉(cāng)體內(nèi)壁受力大小，只要通過觀察倉(cāng)體環(huán)筋的拉伸變形就可以把握筒倉(cāng)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全。
2.1 倉(cāng)體剛度
在進(jìn)料過程中，如若筒倉(cāng)內(nèi)堆積的物料有高低不平，則有可能使圓形倉(cāng)體在水平向產(chǎn)生趨于橢圓變形，這種水平向變形一般情況下是允許的，并不會(huì)對(duì)倉(cāng)體結(jié)構(gòu)造成破壞，所以筒倉(cāng)體在水平向不存在剛度問題。
如果筒倉(cāng)體豎向剛度不足的話就會(huì)產(chǎn)生豎向褶皺變形，具體表現(xiàn)在豎向立筋（即扁鋼帶）被壓彎，或者在兩倉(cāng)體圓筒段連接處（即立筋端部）向倉(cāng)體內(nèi)凹進(jìn)，或者向倉(cāng)體外凸出。豎向褶皺變形會(huì)使筒倉(cāng)體局部高度降低從而使倉(cāng)體歪斜，同時(shí)也可導(dǎo)致倉(cāng)體破損泄漏，故豎向褶皺變形是屬于結(jié)構(gòu)性破壞，是絕對(duì)不允許的。
豎向褶皺變形主要發(fā)生在筒倉(cāng)體中下部，是由于豎向荷載的作用。下部倉(cāng)體立筋承受來自上部倉(cāng)體的豎向力荷載，該豎向力除包括上部倉(cāng)體重量外，還包括固廢料因壓縮沉降對(duì)倉(cāng)體產(chǎn)生的豎向摩阻力。
有兩種基本解決方案：第一種是在筒倉(cāng)體外部，沿倉(cāng)體四周均勻綁扎若干豎向立柱，使豎向立柱與筒倉(cāng)體骨架緊密連接形成共同受力體，這樣可使筒倉(cāng)體抵抗豎向褶皺變形的剛度大大提高。豎向立柱可采用鋼管（如腳手架鋼管）、槽鋼或工字鋼等。
第二種解決方案是在筒倉(cāng)體沿水平向設(shè)置沉降縫以阻斷豎向力的傳遞。具體方法是將整個(gè)筒倉(cāng)體從上到下分成若干段落，在每一段落內(nèi)恒定一個(gè)倉(cāng)體直徑，且在上段落的筒倉(cāng)直徑總是比在下段落的倉(cāng)體直徑小約0.1米，比如最底層段落的倉(cāng)體直徑為20米，則依次向上段落的倉(cāng)體直徑分別為19.9米、19.8米…….。
在同一段落內(nèi)的各倉(cāng)體圓筒段是應(yīng)該綁扎連接的（因?yàn)橹睆较嗤。而上下段落之間的倉(cāng)體因直徑不同是不能綁扎連接的，在上段落的筒倉(cāng)體是直接坐落在下段落筒倉(cāng)體頂面的固廢料上，不過倉(cāng)體之間的間隙很。s2～3厘米），可填塞廢塑料袋或膠泥類物質(zhì)封堵。若固廢料發(fā)生沉降，則上下段落倉(cāng)體會(huì)錯(cuò)開重合，在下段落倉(cāng)體不會(huì)受到上部倉(cāng)體的重壓，故筒倉(cāng)體發(fā)生豎向褶皺變形的可能性大大減少。
還有第三種方案是將上述兩種方案結(jié)合使用，在筒倉(cāng)體中下部采用附著豎向立柱增強(qiáng)倉(cāng)體剛度，在筒倉(cāng)體上部設(shè)置一道沉降縫。
3. 倉(cāng)體設(shè)計(jì)建議
根據(jù)安徽舒城垃圾處理場(chǎng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，提出幾點(diǎn)建議如下：
如設(shè)計(jì)筒倉(cāng)為密封要求較高的厭氧發(fā)酵倉(cāng)，建議采用上述第一種或第三種增強(qiáng)倉(cāng)體剛度的方案，不設(shè)或少設(shè)沉降縫有利于倉(cāng)體密封。
如設(shè)計(jì)筒倉(cāng)是用于建造垃圾填埋場(chǎng)或尾礦填埋場(chǎng)，則建議采用上述第二種倉(cāng)體設(shè)置沉降縫方案，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單造價(jià)低。
另外，建議筒倉(cāng)體高度不宜超過20米，筒倉(cāng)體直徑應(yīng)不小于20米。
4. 結(jié)束語
固廢污染問題的最終決以及沼氣的大規(guī)模利用，其實(shí)完全取決于是否能夠找到一種超大容量?jī)?chǔ)存容器，這種容器除必須安全可靠外，還必須非常廉價(jià)。
安徽舒城縣垃圾處理場(chǎng)首先做出了嘗試。但是由于該項(xiàng)目在建設(shè)程序上存在有多處違規(guī)，所以一旦出現(xiàn)問題立即遭到封殺。本人在論文1中提及的“一點(diǎn)遺憾”最終不幸成為一個(gè)重大遺憾。
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