淺圓倉(cāng)倉(cāng)頂鋼桁架支撐體系的設(shè)計(jì)與施工

金 澤 許 峰 吳應(yīng)強(qiáng)

浙江省三建建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310016

筒倉(cāng)一般是指儲(chǔ)存散裝材料的直立容器，筒倉(cāng)的平面形狀一般為正方形、圓形、長(zhǎng)方形、多邊形。早期筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工的支撐體系采用傳統(tǒng)鋼管扣件的垂直支撐體系，存在著搭設(shè)周期長(zhǎng)、搭設(shè)高度高、安全隱患大、鋼管扣件需求量大、拆除工作量大等不足。隨著工程施工技術(shù)的發(fā)展，筒倉(cāng)倉(cāng)頂?shù)闹误w系逐漸由傳統(tǒng)的垂直支撐體系向空間水平支撐體系發(fā)展[1-5]。但純空間水平支撐體系受限于體系自身剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，不能夠適應(yīng)一些大直徑的筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工，通過(guò)提高桿件規(guī)格、數(shù)量來(lái)加強(qiáng)體系自身成本又太高。所以，本文從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性三方面綜合考慮，設(shè)計(jì)了一種中心立柱＋鋼桁架支撐體系。

1 工程概況

杭州市仁和糧食儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)工程（標(biāo)段一）為新建工程，主要包括20個(gè)圓形淺圓倉(cāng)，總?cè)萘繛?50 000 t。淺圓倉(cāng)倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倉(cāng)頂蓋為現(xiàn)澆鋼筋混凝土錐頂；倉(cāng)頂板厚度為150～200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。淺圓倉(cāng)內(nèi)徑均為26.0 m，裝糧高度均為25.7 m，建筑高度均為41.5 m。

倉(cāng)壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用滑模進(jìn)行施工，最后進(jìn)行淺圓倉(cāng)倉(cāng)頂?shù)氖┕ぁ８鶕?jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，淺圓倉(cāng)錐形倉(cāng)頂采用中心立柱結(jié)合鋼桁架平臺(tái)做支撐體系，并在支撐體系上進(jìn)行支模的施工方法。

2 設(shè)計(jì)思路

本工程淺圓倉(cāng)數(shù)量較多，共計(jì)20個(gè)；工程為杭州市重點(diǎn)工程，建設(shè)周期短。綜合考慮后，20個(gè)淺圓倉(cāng)按2個(gè)倉(cāng)為1組，共分10組，進(jìn)行平行施工。若采用傳統(tǒng)的鋼管支模架，需大量的鋼管、扣件及操作工人，且施工周期長(zhǎng)、安全隱患大，故設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、安全性高的支撐體系對(duì)本工程淺圓倉(cāng)施工的安全及進(jìn)度管控顯得尤為重要。

2.1 支撐體系描述

中心立柱＋鋼桁架支撐體系由中心立柱（800 mm×20 mm鋼管、Q235鋼材、每節(jié)長(zhǎng)為3 m，節(jié)間通過(guò)法蘭使用M20高強(qiáng)螺栓連接）、鋼桁架（每個(gè)桁架單元由弦桿、豎桿、斜桿組成，桁架共32榀，環(huán)向每11.25°布置）、桁架銷子（φ34 mm、材料為30CrMnTi）等主要構(gòu)件組成。支撐體系構(gòu)造如圖1、圖2所示。

圖2 支撐體系剖面示意

圖1 支撐體系俯視

2.2 水平鋼桁架

水平鋼桁架由桁架單元通過(guò)桁架銷子連接組裝而成，在桁架銷子的一端有一個(gè)小圓孔，安裝時(shí)插入保險(xiǎn)卡，以防止桁架銷子脫落。桁架銷子頂端有一凹槽，方向與小圓孔方向一致，安裝時(shí)使凹槽與上下弦桿平行，以確保保險(xiǎn)卡順利插入銷子孔內(nèi)。面對(duì)不同直徑的淺圓倉(cāng)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)桁架徑向尺寸來(lái)滿足施工需求。桁架單元構(gòu)成如圖3所示，桁架單元桿件信息如表1所示。

圖3 桁架單元構(gòu)成示意

表1 桁架單元桿件性能

2.3 中心立柱底部加強(qiáng)

中心立柱放置于下部結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，為確保支撐體系自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)中心立柱及其下部結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行加強(qiáng)。中心立柱底部設(shè)置兩個(gè)方向長(zhǎng)各6 m的H型鋼以增加中心立柱與下部結(jié)構(gòu)平臺(tái)的接觸面，兩個(gè)方向的H型鋼間采用12#槽鋼設(shè)置水平連接，加強(qiáng)穩(wěn)定性；同時(shí)在下部結(jié)構(gòu)平臺(tái)下方設(shè)置鋼管支撐加固體系，以確保平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，支撐加固體系立于基礎(chǔ)底板上（圖4、圖5）。

圖4 中心立柱底部加強(qiáng)平面示意

圖5 中心立柱底部加強(qiáng)剖面示意

2.4 中心立柱頂部構(gòu)造

為便于鋼桁架與中心立柱連接，在中心立柱頂部設(shè)置鋼牛腿及環(huán)形托盤，具體構(gòu)造如圖6、圖7所示。中心立柱與鋼牛腿，鋼牛腿與環(huán)形托盤均采用M20高強(qiáng)螺栓連接。螺栓連接的擰緊分初擰、終擰，并在24 h內(nèi)完成；擰緊后，采用小錘敲擊法，對(duì)螺栓逐個(gè)敲栓并進(jìn)行扭矩的隨機(jī)抽檢，以確保連接質(zhì)量。高強(qiáng)螺栓施工中緊固順序是：先頂層后底層，最后為中間層次。同一連接面上的螺栓緊固，應(yīng)由接縫中間向兩端交叉進(jìn)行。兩個(gè)連接構(gòu)件的緊固順序?yàn)椋合戎饕獦?gòu)件后次要構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)中心立柱頂部構(gòu)造的精準(zhǔn)加工，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建模（圖8）。

圖6 中心立柱頂部構(gòu)造

圖7 中心立柱頂部鋼牛腿及 環(huán)形托盤布置示意

圖8 中心立柱頂部構(gòu)造三維示意

2.5 鋼桁架支撐體系擱置

鋼桁架一端使用銷軸與中心立柱頂部環(huán)形托盤連接，另一端則自由放置在倉(cāng)壁預(yù)留洞口處（倉(cāng)壁滑模施工時(shí)在相應(yīng)標(biāo)高、對(duì)應(yīng)位置處留設(shè)預(yù)留洞口），如圖9所示。

圖9 鋼桁架支撐體系擱置三維示意

2.6 倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)支模架搭設(shè)

中心立柱＋鋼桁架支撐體系作為倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工所需支模架的承載平臺(tái)，平臺(tái)上鋪10#工字鋼作為上部倉(cāng)頂支模架的立桿基礎(chǔ)，倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)支模架采用傳統(tǒng)的扣件式鋼管支模架、木模板體系（圖10）。

圖10 基于中心立柱＋鋼桁架支撐體系的倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)支模架剖面示意

3 荷載分析

本支撐系統(tǒng)借助于有限元軟件，對(duì)該鋼支撐平臺(tái)系統(tǒng)在淺圓倉(cāng)屋蓋施工時(shí)的各種不利工況下的可靠性（包括支撐系統(tǒng)的整體剛度、桁架桿件的穩(wěn)定和強(qiáng)度、預(yù)埋件強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度、連接銷軸的強(qiáng)度等）進(jìn)行了分析計(jì)算。

有限元模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，x、y方向?yàn)樗阶鴺?biāo)，z向豎直向上。中心支撐結(jié)構(gòu)、鋼桁架、上下環(huán)梁構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)。中心支撐結(jié)構(gòu)和桁架等結(jié)構(gòu)采用3D3S軟件模擬。

3.1 約束條件

1）塔架底部與基礎(chǔ)：約束x、y、z這3個(gè)方向的線位移和繞x、y、z軸的角位移。

2）塔架與環(huán)梁的連接點(diǎn)：耦合x、y、z這3個(gè)方向的線位移和繞x、y、z軸的角位移。

3）環(huán)梁分段的連接點(diǎn)：耦合x、y、z這3個(gè)方向的線位移和繞x、y、z軸的角位移。

4）鋼桁架與環(huán)梁連接點(diǎn)：耦合x、y、z這3個(gè)方向的線位移，其余自由度釋放。

5）鋼桁架與倉(cāng)壁支座連接點(diǎn)：約束z方向和切向位移，其余自由度釋放。

經(jīng)有限元軟件計(jì)算分析，該結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計(jì)算要求，應(yīng)力比最大值為0.78。

4 支撐體系的安裝與拆除

4.1 施工順序

分段拆除滑模平臺(tái)→安裝中心立柱→安裝鋼桁架→鋪設(shè)工字鋼→搭設(shè)支模架→安裝梁底模板→綁扎梁鋼筋→安裝板模板→綁扎板鋼筋→澆筑混凝土（倉(cāng)頂環(huán)梁分2次進(jìn)行澆筑）

4.2 支撐體系的安裝

4.2.1 安裝中心立柱

1）塔節(jié)組對(duì)。按鋼平臺(tái)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，將每段塔節(jié)的主管采用φ800 mm×20 mm鋼管分段為3 m一節(jié)。地面組裝時(shí)，所有20 mm×60 mm高強(qiáng)螺栓僅施加大于等于360 N·m的扭矩，安裝誤差均要求小于2 mm（包括軸線尺寸、橫截面對(duì)角線尺寸）。

2）塔節(jié)安裝。塔節(jié)基礎(chǔ)找平，偏差應(yīng)控制在±2 mm之內(nèi)。底段塔節(jié)安裝，使用塔吊就位。塔節(jié)每段重1 100 kg，塔吊起重在每倉(cāng)位置的不同，起升能力也不同，根據(jù)塔吊吊距遠(yuǎn)近分片安裝或整片安裝，以滿足吊裝要求。

底段塔節(jié)就位后，測(cè)量塔節(jié)垂直度，要求偏差小于2 mm。底段塔節(jié)安裝后，吊裝標(biāo)準(zhǔn)塔節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)塔節(jié)就位后，首先測(cè)量垂直度，要求精度同上。滿足要求后，扭緊塔節(jié)主管間法蘭連接螺栓，同樣分為初扭和終扭（力矩值同上），每個(gè)連接法蘭的6個(gè)螺栓的扭緊次序?yàn)檠貙?duì)角方向，4處法蘭沿對(duì)角方向扭緊。扭緊法蘭螺栓后，按底段塔節(jié)的操作方法，將各個(gè)拉桿和主管間的高強(qiáng)螺栓扭緊。

再次測(cè)量安裝精度，滿足要求后，連接塔節(jié)間的斜拉桿，高強(qiáng)螺栓的施工次序、扭矩值同上。按上述方法，直至上部塔節(jié)組裝完畢。整體塔架垂直度偏差應(yīng)控制在40 mm之內(nèi)。

4.2.2 安裝頂部中心筒

1）托盤組對(duì)。托盤分為4 段，采用高強(qiáng)螺栓20 mm×60 mm連接，在地面完成組裝。高強(qiáng)螺栓的終扭值不低于720 N·m，施工方法與次序按上述要求進(jìn)行。

2）托盤安裝 。使用塔吊進(jìn)行吊裝，托盤質(zhì)量約為1 500 kg，塔吊的起升能力滿足要求。

托盤就位后，使用高強(qiáng)螺栓與上部塔節(jié)連接，高強(qiáng)螺栓20 mm×65 mm的終扭值不低于720 N·m，施工方法與次序按上述要求進(jìn)行。

4.2.3 安裝桁架

當(dāng)滑模施工滑到34.8 m時(shí)，停止滑模施工，拆除滑模平臺(tái)。在倉(cāng)壁上預(yù)留的30 cm×30 cm×18 cm洞口（洞口下皮為34 m），作為倉(cāng)頂板施工的平臺(tái)標(biāo)高。使用塔吊進(jìn)行吊裝，每片質(zhì)量約1 100 kg，塔吊的起升能力滿足要求。

吊裝就位后，一端使用銷軸與托盤連接，另一端自由放置在倉(cāng)壁預(yù)留洞口處，桁架的擺放次序按照中心對(duì)稱方向進(jìn)行。同時(shí)進(jìn)行桁架環(huán)向拉桿的安裝，連接螺栓20 mm×50 mm的扭緊力矩不低于450 N·m。32榀桁架安裝后，檢測(cè)32榀桁架的平面度，如相鄰3榀桁架的平面高差超出5 mm，應(yīng)在倉(cāng)壁洞口支座上增設(shè)墊板予以調(diào)整。

整體安裝完畢后，對(duì)塔節(jié)間、拉桿與塔節(jié)主管、托盤與塔節(jié)的連接及桁架進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查內(nèi)容包括以下內(nèi)容：高強(qiáng)螺栓是否全部安裝，有無(wú)缺失；抽檢高強(qiáng)螺栓的扭矩值（塔節(jié)間不低于30%，拉桿與塔節(jié)主管間不低于20%）；校核塔架垂直度偏差，如整體偏差大于40 mm，應(yīng)通過(guò)桁架的擺放予以調(diào)整；32榀桁架的平面度，如超標(biāo)，則需再次調(diào)整倉(cāng)壁支座墊板。

復(fù)查完成后，即利用此支撐體系作為上部倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)模板支架的支撐平臺(tái)，開始進(jìn)行鋼管扣件支撐體系的搭設(shè)，隨后進(jìn)入模板鋪設(shè)、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等常規(guī)工藝程序，在此不展開敘述。

4.3 支撐體系的拆除

首先拆除搭設(shè)于支撐體系上部的鋼管扣件支模架體，拆除方式同常規(guī)鋼管扣件支模體系，在倉(cāng)頂預(yù)留孔洞處設(shè)置卷?yè)P(yáng)機(jī)用于拆除后材料的轉(zhuǎn)運(yùn)（圖11）。

圖11 支撐體系上部支模架拆除工況

完成支模架拆除后，開始拆除鋼桁架支撐體系，使用2臺(tái)2 t卷?yè)P(yáng)機(jī)，固定在屋面，1臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩從屋面中心預(yù)留洞下，1臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩從屋面靠近倉(cāng)壁500 mm處，對(duì)應(yīng)桁架上方預(yù)留洞下。用2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)抬起桁架并拔出銷子，將桁架放到倉(cāng)底上，并在漏斗洞口移出倉(cāng)外。

每榀桁架自重約1 100 kg，使用2臺(tái)2 t卷?yè)P(yáng)機(jī)可以滿足操作要求。調(diào)整靠倉(cāng)壁卷?yè)P(yáng)機(jī)到下一處桁架上方預(yù)留洞上操作下一片桁架，依次吊裝其余桁架（圖12）。

圖12 鋼桁架拆除工況

完成鋼桁架拆除后，通過(guò)搭設(shè)鋼管操作架用于工人操作，使用固定于屋面的卷?yè)P(yáng)機(jī)，對(duì)中心立柱進(jìn)行分段拆除，并卸至下部結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，通過(guò)裝糧口移出倉(cāng)外（圖13）。

圖13 中心立柱拆除工況

5 結(jié)語(yǔ)

本工程倉(cāng)頂采用的中心立柱＋32榀鋼桁架支撐體系，構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作便捷并易于組裝及拆除，各桿件受力較為合理。桁架由桁架單元通過(guò)桁架銷子組成，所以可通過(guò)桁架單元的組裝調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)不用直徑的倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工。運(yùn)用該支撐體系相較傳統(tǒng)的鋼管支模架體系能夠縮短倉(cāng)頂施工工期15 d（中心立柱＋鋼桁架支撐體系安裝僅需5 d，傳統(tǒng)的鋼管支模架體系安裝需要20 d），給建設(shè)、施工單位帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提高了倉(cāng)頂施工過(guò)程中的安全穩(wěn)定性。