新型錐殼倉頂施工支撐結構的設計研究

唐志強 孟聞遠 余監華

1.漯河水利局 河南 平頂山 462300 2.華北水利水電大學 河南 鄭州 450002

1 概述

筒倉結構是一種實際生活中用來儲存塊狀、散粒狀物品資源的地面建筑中比較常見的構筑物，也是在我國的電力、農業、礦產業、化工、物流等領域中被廣泛應用的大型直立容器之一[1]。筒倉結構相比于其他大型廠房具有很多優點：筒倉貯存物品的容量大、自身的占地面積小，建造施工完成的速度較快；貯存物料便捷，筒倉因其大空間的優勢使得其內部作業具有很高的機械化，筒倉的后期使用和維護的所需費用相對其他大型儲存類建筑來說相對比較低。

通過深入、廣泛地了解現有的筒倉錐殼倉頂施工方法，然后在此基礎上進行了支撐結構的改進，本文自主設計了一種新型筒倉錐殼倉頂施工組合式支撐體系。

2 施工支撐結構的設計研究

2.1 工程概況

本文所建模型是以某面粉有限公司生產基地淺圓倉錐殼倉頂數據為例，本工程由8棟筒倉組成，分列二排，每個儲糧單倉倉容為10000t。其直徑為25m，倉體總高度為33.3m，裝糧高度為27.75m。基礎為CFG樁復合地基，基礎采用C30混凝土，基礎底設100mm的C15素混凝土墊層，采用復合地基處理方案。主體筒倉施工時采用剛性平臺滑模施工，倉壁厚度250mm，倉頂蓋為現澆鋼筋混凝土錐頂，錐殼與倉壁呈25度角度，錐殼垂直高度為4800mm。淺圓倉的梁、柱、倉壁、頂蓋混凝土強度等級均為 C30。下環梁底口標高為27.75m，環梁截面尺寸為 500×750 (mm2)，倉上錐殼壁厚為400mm，錐殼上環梁截面尺寸為 600×800 (mm2) ，錐殼上環梁頂標高為33.3m。

2.2 內部設計

本文的傘型錐殼組合式支撐結構擁有著拱和桁架的共同優勢，利用拱的幾何形式特性來實現彎矩向軸力的轉化，并通過格構的方式將彎矩轉化為弦桿的軸力，使得整個支撐結構具有更高的結構承載效率。

綜上所述該支撐結構將有著自身重量輕、抗拉性能好、承載效率高、材料強度利用率高、造型美觀、施工安裝便捷等優勢，因此可以用來解決筒倉錐殼倉頂結構施工困難的問題。

本文的徑向鋼桁架是由拱形桁架演變而來的，基于結構力學和彈性力學的理論，基于殼體力學性能設計了傘型錐殼組合式支撐結構。本文設計的支撐結構傳力性能高效，對豎直荷載具有很強的承載能力，可以分擔每根支撐桿件的承載壓力，以此來充分利用桿件的承載性能。

針對淺圓倉實際的工程概況，把傘型錐殼組合式支撐結構的徑向鋼桁架設計為下弦桿采用尺寸80×80 (mm2)的矩形空心截面，其截面的厚度為5mm，為了適宜實際中淺圓倉的錐殼建造，把徑向桁架與水平位置呈25°角斜向布置。

圖1 某一榀傘型錐殼組合式支撐結構的徑向桁架實體模擬圖

傘型錐殼組合式支撐結構的構件通過工廠加工后，再運輸到筒倉的施工現場，然后施工人員進行組裝后再進行現場吊裝。該支撐結構將采用分榀吊裝的方法，一邊與中心核心筒進行螺栓連接，另一端與筒倉倉壁的預留件進行固定，一共需要吊裝25榀。每榀徑向桁架之間用特殊的鋼管進行螺栓對接，形成完整的傘型錐殼組合式支撐結構。

2.3 與已有的支撐結構的區別

在目前的筒倉倉頂施工工程中，存在著不同形式的模板支撐體系。為了突顯本文設計的傘型錐殼組合式支撐結構構造方面的優越性，在相同筒倉倉頂施工條件下，與已有的桁架支撐結構進行對比。

從施工方面來看，與常規的型鋼框架結構支撐體系、扣件式鋼管桁架與中心井架組合式支撐體系、中心井架環式輻射狀支撐體系等相比較，傘型錐殼組合式支撐結構因無需在高空再次搭設腳手架，在施工方面得到了簡化，從而在施工造價和耗費工期方面也降低了很多。

從結構構造方面來看，已有的傘型無拱斜梁式支撐結構，其各桿件無法協同工作，使得結構的受力性能遠未達到最優的狀態。本文基于拱形結構，特別是殼體結構力學性能的特點，設計出傘型錐殼組合式支撐結構。使得該支撐結構在力學的受力形式和性能方面得到了很大的改善。為了進一步說明內部拱形構造的特點，對內部有無拱形結構的支撐結構進行了力學理論上的對比，對兩者的上部施加相同的均布荷載的情況下，傘型錐殼組合式支撐結構承擔豎向均布荷載作用時，其兩側的支座將產生相應的水平推力，利用其幾何特性可以將豎向荷載的作用轉化為軸向壓力，通過這種轉化可以顯著減小其中間部位的彎矩和剪力，但是無拱形斜梁式支撐結構的上部桿件將承受完整的均布荷載作用下產生的彎矩和剪力。從此可以體現傘型錐殼組合式支撐結構的兩個優勢：

（1）在相同的工況下，兩種結構在確保安全完成施工的前提下，傘型錐殼組合式支撐結構能夠充分利用材料的強度，因此可以憑借本身結構的優越性使得施工工程造價進一步的縮減，具有很好的經濟效益。

（2）在相同的工況下，通過力學理論的分析可知兩種結構在承受施工荷載后，傘型錐殼組合式支撐結構產生的最大撓度較小。在筒倉倉頂施工中，需要在支撐結構的上部搭設現澆混凝土模板，傘型錐殼組合式支撐結構在施工過程中產生的小撓度變化可以更好的確保了錐殼倉頂的澆筑，避免了因支撐結構撓度過大使得整個錐殼倉頂的整體變形。

3 支撐結構的有限元分析

3.1 單元選擇

本文中的徑向桁架和環向桁架均采用ANSYS中的Beam 4單元模擬，他們之間的各節點采用的大多數焊接和高強螺栓接連，其中環向桁架起到連接各榀徑向桁架從而增加支撐結構整體性與穩定性的作用，故而在ANSYS模擬過程中對徑向桁架和環向桁架的節點全選擇為剛接。

結構上部的徑向弦桿是與整體結構的環向桁架通過直角扣件接連的，所以上部的徑向弦桿和每榀徑向桁架之間的桿件采用的是LINK8單元，其間的節點均按有限元假設設置為鉸接。

3.2 材料屬性

本工程的徑向桁架和環向桁架所用的型號均為Q235鋼材，滿足國家標準和鋼材彈性試驗的指標要求，材料彈性模量取E=2.06×105 N/mm2，強度設計值為215 MPa，泊松比設定為0.3，質量密度設定為7850 kg/m3。

3.3 模型的建立

在使用ANSYS進行實體有限元模型分析計算時，為了使計算后得到的結果能夠具有一定的準確性，前處理中對模型網格劃分的形狀、類型以及尺寸的控制顯得十分重要，對此需要妥善處理。在進行一系列的基礎操作后，然后對相應的節點施加荷載，最后對實體模型進行有限元計算，通過上述合理有效的處理來確保分析結果的可靠性。有限元分析模型中將結構上部的每根徑向弦桿劃分成1個單元，對徑向桁架和環向桁架的梁單元進行自由網格劃分。根據實際荷載和支撐情況在響應位置處施加對應的約束或荷載。在徑向桁架的筒倉壁周邊下部位置處為固定支座，中心核心筒周邊的上部位置為鉸支座，其具體設置如圖2所示。

圖2 支撐結構的有限元模型

3.4 荷載組合

在進行荷載組合時，取恒荷載分項系數為1.3，活荷載的分項系數為1.5。荷載工況組合時，分別考慮混凝土未澆筑前、澆筑一半、完全澆筑、倉頂梁板施工時等四種情況。

3.5 模擬結果分析

3.5.1 支撐結構的位移分析

結構在受荷服役期間所產生的最大位移值是判斷此結構受力性能重要因素之一。結構在服役期間構件產生的最大位移小，則抗彎剛度大、受力性能較好；反之如果結構服役期間構件產生的最大位移大，則說明此結構的抗彎剛度小，難以滿足結構在正常荷載作用條件下的使用要求。用ANSYS有限元軟件計算后，得到的傘型錐殼組合式支撐結構桿件的最大豎向位移值滿足要求。

對ANSYS有限元軟件計算出的分析結果的位移云圖進行分析后，得出以下結論：四種不同工況荷載作用下傘型錐殼組合式支撐結構桿件的位移變化規律大致相同，都是在每榀徑向桁架中心部位處的撓度最大；兩側部位因為存在支座約束，所以其產生的豎向位移基本接近于零；支撐結構桿件的豎向變形從每榀桁架的中心部位向著兩邊不斷變小，靠近筒倉中心部位的桿件位移變化程度相對較大，同時發現結構的桿件變形圖大致呈中心對稱性分布。見圖3。

圖3 偏心可調節地漏

圖3 荷載工況四下的結構位移云圖（m）

3.5.2 支撐結構的受力分析

支撐結構在桿件的內力直接影響結構的強度設計是否滿足要求，是結構設計是否合理的重要因素之一。在設計過程中，結構桿件的內力不應超過材料本身的抗拉或抗壓強度。通過ANSYS后處理中的組合運算得到了四種不同荷載工況下的各桿件的應力云圖，具體如下圖4所示。

圖4 工況四下的應力云圖（Pa）

分析各工況下傘型錐殼組合式支撐結構的應力云圖發現，在四種荷載工況作用下，支撐結構桿件的應力都呈中心對稱分布。在施工工況一下，支撐結構中的構件的最大拉應力值為4.81MPa，最大壓應力值為12.6MPa ；在澆筑了一半混凝土后的工況二的荷載作用下，支撐結構中的構件的最大拉應力值為33.6MPa，最大壓應力值為125MPa ；在錐殼倉頂混凝土澆筑完后的工況三的荷載作用下，支撐結構中的構件的最大拉應力值為36.4MPa，最大壓應力值為131MPa ；在最后澆筑上環梁的工況四的荷載作用下，支撐結構中的構件的最大拉應力值為37.7MPa，最大壓應力值為132MPa ；所有桿件的應力值均小于其鋼材的強度設計值215MPa，充分證明了該支撐結構的強度滿足規范要求。

4 結束語

在大直徑筒倉施工工程中，錐殼倉頂的施工模板的支撐一直是大直徑筒倉施工中的關鍵性問題，這個問題一直受到廣大工程師和科研學者的關注。本文提出了一種新型筒倉錐殼倉頂施工組合式支撐體系，以體系中的傘型錐殼組合式支撐結構為主要研究對象，得到以下結論：

（1）本文闡述了新型筒倉錐殼倉頂施工組合式支撐體系的設計原理、所用桿件和連接方式的選擇以及中心核心筒的設計。其體系中的傘型錐殼組合式支撐結構的特殊的拱形構造和殼體組合形式具有一定的創新性。

（2）計算了傘型錐殼組合式支撐結構的模型在不同工況荷載作用下的應力和豎向變形，同時進行了與無拱形斜梁式支撐結構和無拱形的傘型錐殼斜梁式支撐結構的對比分析工作，結果表明本文設計傘型錐殼組合式支撐結構在構造形式上具有一定的優越性，提升了錐殼倉頂施工的安全度和經濟性。

（3）設計的本支撐體系可重復拆卸，多次利用，尺寸可以在一定程度內調整，大大節省工程造價。