大型筒倉滑模拖帶施工技術(shù)

王文利 劉 宇 徐長春

1. 河北建工集團有限責(zé)任公司 石家莊 050051；2. 河北省第四建筑工程有限公司 石家莊 050051

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，筒倉設(shè)計技術(shù)的不斷成熟，鋼筋混凝土筒倉由小型化不斷向大型化發(fā)展，倉頂也朝著能夠提供更大跨度的拱桁架、網(wǎng)架和網(wǎng)殼方向發(fā)展[1-3]。大直徑筒倉空間鋼結(jié)構(gòu)倉頂目目前主要的施工方法有整體吊裝法和高空散裝法[4]。采用整體吊裝法時，因倉頂?shù)撞恐睆酱笥谕矀}內(nèi)徑，其空間鋼結(jié)構(gòu)只能在場外拼裝，整體吊裝時需要大型吊裝設(shè)備，高空就位困難，費用大，所以現(xiàn)在已很少采用。若采用高空散裝法，質(zhì)量不易保證且高空作業(yè)具有一定的安全隱患，另外拼裝構(gòu)件前還需搭設(shè)大量的腳手架，投入周轉(zhuǎn)工具多，費用大，且拼裝工作只能在倉壁滑升施工完成后進行，不利于保證工期。針對筒倉的施工特點及難點，本文介紹筒倉滑模拖帶施工技術(shù)，該技術(shù)可避免傳統(tǒng)施工技術(shù)的不足之處，但為了保證工程的正常實施，必須對該技術(shù)的各項參數(shù)進行有效控制。

1 滑模拖帶的原理與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 施工順序流程

滑模拖帶施工技術(shù)是在整體吊裝法和高空散裝法基礎(chǔ)上優(yōu)化形成的新型安裝技術(shù)[5]，即先在地面投影位置將被拖帶的倉頂空間鋼結(jié)構(gòu)組裝完畢，并與滑模裝置連接成整體，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)滑模施工時，拖帶倉頂結(jié)構(gòu)隨同上升至其支座設(shè)計標(biāo)高處，并固定于相應(yīng)的混凝土頂面（圖1）。

圖1 施工順序

1.2 滑模拖帶施工原理

滑模拖帶施工以集群液壓千斤頂為動力，通過支座將滑模提升架與拖帶體系相連，從而實現(xiàn)拖帶體系隨同滑模同步提升。拖帶結(jié)構(gòu)為殼體結(jié)構(gòu)時，會在支座處產(chǎn)生較大的水平推力，須設(shè)置輻射狀水平拉桿，以抵抗支座處的水平推力，使拖帶結(jié)構(gòu)自身形成穩(wěn)定的體系，實現(xiàn)滑模體系和拖帶結(jié)構(gòu)的同步穩(wěn)定提升（圖2）。

圖2 技術(shù)原理

1.3 滑模拖帶系統(tǒng)的組成

1.3.1 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)一般使用支承桿，支承桿又稱爬桿，對千斤頂?shù)呐郎\動起導(dǎo)向作用。滑模拖帶系統(tǒng)中支承桿常設(shè)置在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，是滑模裝置的承重支柱，承受施工過程中的全部荷載。

1.3.2 液壓提升系統(tǒng)[6]

液壓提升系統(tǒng)為拖帶體系的整體上升提供動力，是整個拖帶體系的動力部分，一般由液壓千斤頂、液壓控制臺和油路等組成。

1.3.3 操作平臺系統(tǒng)

操作平臺是材料、工具等的堆放場所和液壓控制設(shè)備的安置臺，同時也是施工人員澆筑混凝土、綁扎鋼筋、提升模板的操作場所。因此操作平臺需要有足夠的強度和剛度，以便使其能夠整體同步水平上升。吊架用于滑升過程中進行混凝土質(zhì)量的檢查、混凝土構(gòu)件表面的修整和養(yǎng)護、模板的調(diào)整和拆卸等。

1.3.4 模板系統(tǒng)

模板用于使?jié)仓幕炷脸尚停⒈ＷC混凝土的表面質(zhì)量符合要求，所以要求模板尺寸準(zhǔn)確、表面光滑，滑模拖帶體系中的模板一般采用鋼模板。

圍圈在模板背面沿水平方向布置，一般上、下各一道，用于固定模板并帶動模板滑升。施工過程中為保證模板的幾何形狀不變，圍圈應(yīng)具有一定的強度和剛度。

提升架主要由橫梁和立柱組成，其作用是承受施工過程中滑模體系的全部荷載和拖帶結(jié)構(gòu)的豎向荷載并傳遞給千斤頂，再通過千斤頂傳遞給支承桿。

1.3.5 平衡系統(tǒng)

殼體結(jié)構(gòu)的受力特性與平面結(jié)構(gòu)中的拱有相似之處，在支座處會產(chǎn)生較大的水平推力。支座處的水平推力會使下部支承結(jié)構(gòu)處于壓彎受力的不利狀態(tài)，通過在支座處設(shè)置拉桿，把殼體結(jié)構(gòu)對支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的推力轉(zhuǎn)化為由拉桿承受的內(nèi)力，從而使拖帶結(jié)構(gòu)在水平方向成為張拉自平衡體系[7]。

2 滑模拖帶系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 支撐系統(tǒng)設(shè)計

滑模體系的荷載包括：

（a） 滑模裝置的自身質(zhì)量。滑模裝置由提升架、模板、吊架、鋪板、圍圈、操作平臺等組成，計算荷載值應(yīng)根據(jù)實際工程中所選用的材料規(guī)格進行計算。

（b） 操作平臺上的施工荷載。根據(jù)《滑動模板工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，平臺上的施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值為1.5 kN/m2（包括施工人員、工具和備用材料引起的荷載）。平臺上的臨時存放材料、液壓控制臺、電氣焊、手推車等設(shè)備應(yīng)按實際質(zhì)量計算。

（c） 模板與混凝土的摩阻力。一般按混凝土在模板內(nèi)的滯留時間計，采用鋼模板時，根據(jù)實驗結(jié)果[8]。

表1 實測摩阻力值

（d） 平臺上垂直起重設(shè)備剎車制動力，可根據(jù)《滑動模板工程技術(shù)規(guī)范》相關(guān)公式進行計算。

拖帶體系的荷載包括：

（a） 帶結(jié)構(gòu)的自重。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實際的安裝量，計算拖帶結(jié)構(gòu)的自重。

（b） 風(fēng)荷載。風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況取用。

附加荷載：

千斤頂在提升的過程中存在行程差，會對支承桿產(chǎn)生一定的附加荷載。

依據(jù)上述3 部分荷載，滑模拖帶體系所需支承桿和千斤頂?shù)淖钚?shù)量如下式：

式中：P——提升荷載（kN）；

P0——單個支承桿或千斤頂?shù)某休d力，兩者取其中較小者。

2.2 液壓提升系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 液壓千斤頂設(shè)計

滑模拖帶施工中所選用的千斤頂為穿心式液壓千斤頂，有滾珠卡具式和楔塊卡具式，其額定起重量分別有30 kN、60 kN、100 kN等。

2.2.2 液壓控制臺設(shè)計

液壓控制臺按油泵流量的不同，可分為36、56、72、100等型號。現(xiàn)場所需液壓控制臺的型號，可根據(jù)流量來確定，其流量與所帶動的千斤頂數(shù)量、每只千斤頂油缸內(nèi)容積及一次給油時間有關(guān)。

2.2.3 油路設(shè)計

為了使千斤頂供油均勻控制千斤頂?shù)纳睿吐返牟贾靡话悴捎萌壊⒙?lián)的方式：油液從液壓控制臺通過主油管到分油器，再從每個分油器經(jīng)分油管到支分油器，最后從每個支分油器經(jīng)支油管到各個千斤頂。

油管分主油管、分油管和支油管3 種，其參數(shù)有內(nèi)徑、工作壓力、長度、接頭螺紋規(guī)格等，選用時應(yīng)與千斤頂、液壓控制臺相一致。針型閥一般設(shè)置在分油器處或千斤頂與油管連接處，來控制管路及千斤頂?shù)挠鸵毫髁浚哉{(diào)節(jié)千斤頂?shù)纳睢?/p>

2.3 操作平臺系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 操作平臺設(shè)計

操作平臺的結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)根據(jù)建筑物自身的結(jié)構(gòu)特點、操作平臺上荷載大小、分布情況、千斤頂和提升架的布局、平臺上運輸工具等施工條件來確定。操作平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)保證足夠的強度、剛度和整體性。

2.3.2 吊架設(shè)計

吊架一般由吊桿和鋪板構(gòu)成。吊桿常用Φ16～18 mm的圓鋼制成，也可采用柔性鏈條，鋪板常用木板，寬度一般為500～800 mm。為了保證施工人員的安全，吊架外側(cè)必須設(shè)置防護欄桿，并張掛安全網(wǎng)到底部。

2.3.3 料臺設(shè)計

配筋密、混凝土量大和工作面小的滑模工程常設(shè)置料臺。料臺主要用于堆放鋼筋或支承桿，防雨、防雷設(shè)施的搭設(shè)等。根據(jù)工程情況，料臺可局部設(shè)置或全部設(shè)置。

2.4 模板系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 模板設(shè)計

滑模拖帶施工需要模板拆裝方便，而且模板使用周期較長，所以一般采用鋼模板，鋼模板一般由2～2.5 mm的鋼板壓軋成型或加焊角鋼、扁鋼肋條制成。

模板安裝時應(yīng)保持上小下大的錐度，以減小滑升時混凝土與模板間的摩阻力。此外，為保證模板有足夠的剛度，模板除邊框外還應(yīng)設(shè)置縱肋或橫肋。

模板的設(shè)計主要考慮以下荷載[9]：

（a） 新澆混凝土對模板的測壓力標(biāo)準(zhǔn)值G1K

（b） 振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的測壓力標(biāo)準(zhǔn)值Q1K

（c） 傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值Q2K

模板的抗彎強度應(yīng)按荷載設(shè)計值進行計算。普通鋼模板，其荷載設(shè)計值應(yīng)乘以0.95的調(diào)整系數(shù)；當(dāng)采用冷彎薄壁型鋼時，其荷載設(shè)計值的調(diào)整系數(shù)為1.0。

模板剛度的驗算應(yīng)按荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行計算。

2.4.2 圍圈設(shè)計

施工過程中，圍圈主要承受模板傳來的水平荷載和豎向荷載，當(dāng)操作平臺直接支承在圍圈上時，還承受操作平臺上的施工荷載和操作平臺的自重。圍圈應(yīng)有足夠的剛度，以保證模板幾何尺寸的精確，并防止提升過程中產(chǎn)生較大的變形。

圍圈設(shè)計主要考慮以下荷載：

（a） 模板水平方向傳來的荷載；

（b） 模板豎直方向傳來的荷載，包括模板自重和提升時模板與混凝土的摩阻力。

圍圈應(yīng)進行相應(yīng)的驗算確保具有足夠的強度和剛度。

施工過程中是圍圈澆筑混凝土，水平方向的荷載并非滿布在圍圈上，應(yīng)按最不利的情況進行組合。根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》附錄C等截面連續(xù)梁內(nèi)力系數(shù)表，為求得最大彎矩，將圍圈按3 跨連續(xù)梁進行計算。剛度驗算包括水平方向剛度驗算和豎直方向剛度驗算

2.4.3 提升架設(shè)計

提升架兩立柱間的寬度，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)在整個滑升高度內(nèi)斷面的最大寬度、模板的厚度、圍圈的寬度、支承圍圈的支托寬度和模板傾斜度的放寬尺寸來確定。從模板上口至橫梁底端的高度，應(yīng)滿足綁扎水平鋼筋時所需要的最小高度，同時為保證支承桿的承載力和穩(wěn)定性，其高度也不宜太高，對于Φ25 mm圓鋼支承桿宜為400～500 mm，Φ48 mm×3.5 mm鋼管支承桿宜為500～900 mm。

提升架應(yīng)有足夠的剛度，橫梁與立柱必須采用剛性連接，并且兩者的軸線應(yīng)在同一平面內(nèi)。在施工荷載作用下，立柱下端的側(cè)向變形應(yīng)不超過2 mm。

2.5 平衡系統(tǒng)設(shè)計

筒倉倉頂為殼體結(jié)構(gòu)時，在施工過程中支座處會產(chǎn)生較大的水平推力，會對滑模體系產(chǎn)生不利的影響。通過在支座處設(shè)置拉桿抵抗水平推力，使拖帶結(jié)構(gòu)在水平方向形成自平衡的張拉體系，從而減弱對滑模體系的不利影響。

平衡系統(tǒng)一般由庫頂鋼結(jié)構(gòu)、拉桿、花籃螺栓和圓盤組。拉桿可采用Φ16 mm以上的圓鋼制作，圓盤可用厚10 mm以上的鋼板制作，其半徑一般取0.8～1 m。花籃螺栓設(shè)置在拉桿端部，其最大抗拉強度應(yīng)大于所選用拉桿的最大抗拉強度。

3 工程實踐及施工過程監(jiān)測

某水泥生產(chǎn)線熟料庫項目，由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的庫壁和鋼結(jié)構(gòu)的庫頂組成，鋼結(jié)構(gòu)庫頂由下部的庫壁支承。庫頂上部為圓形鋼平臺，由18 根焊接H型截面斜鋼梁（GL1）支撐，鋼平臺與斜鋼梁連接處采用栓焊節(jié)點。整個庫頂通過36 根鋼梁（GL2）斜向支撐在庫壁上，鋼梁與鋼梁之間采用焊接節(jié)點。采用滑模拖帶施工工藝，將庫頂先在地面組裝完畢，在進行庫壁滑升施工的同時將庫頂提升至設(shè)計標(biāo)高（圖3）。

圖3 熟料庫示意

為監(jiān)控拉桿力值對整個滑模體系的影響以及其變化規(guī)律，我們在拉桿靠近滑模側(cè)布置了16 個應(yīng)力觀測點，筒倉控制軸線位置布置了4 個變形觀測點。采用應(yīng)力監(jiān)測儀器監(jiān)測拉力應(yīng)力值，采用直尺和線錘觀測滑模的徑向變形，用經(jīng)緯儀觀測滑模的環(huán)向變形。

為了查看各桿力值在倉頂頂升過程中的變化關(guān)系，我們將倉頂鋼梁GL1、鋼梁GL2下拉桿監(jiān)測的力值分別以曲線的形式進行對比。表2記錄了滑模最大環(huán)向和徑向變形值。

表2 滑模最大環(huán)向和徑向變形值

4 結(jié)語

（a）滑升過程中，影響拉桿受力因素具有不確定性，監(jiān)測的部分?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)與理論值相差過大。為了保證拉桿的強度滿足要求，設(shè)計拉桿時應(yīng)保證有足夠的富余度。

（b）滑升過程中，千斤頂提升的高差、材料擺放的位置、人員的走動等因素都會引起拉桿力值的變化，其中千斤頂提升的高差影響最為顯著。

（c）庫頂斜鋼梁的扭曲、支承桿的傾斜、傾倒混凝土都會對模板產(chǎn)生沖擊力，在滑升的過程中，會使滑模整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，現(xiàn)場監(jiān)測到滑模整體曾比滑升前沿著倉壁最大扭轉(zhuǎn)了243.2 mm。所以在施工時，應(yīng)嚴(yán)控斜鋼梁的安裝精度、支承桿的垂直偏差和混凝土的循環(huán)換向澆筑。

（d）由于拉桿力值的變化、材料擺放位置、人員的走動等因素，也會使操作平臺的水平度發(fā)生變化，進而使滑模的垂直度發(fā)生變化，從而使庫壁產(chǎn)生垂直偏差。滑升過程中，應(yīng)不斷觀測滑模的徑向變形并進行調(diào)整。