淺圓筒倉頂板下空間鋼支撐全過程模擬及設(shè)計(jì)

韓建林

(中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)管理有限公司，天津 300240)

0 引言

大直徑筒倉作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，在封頂施工中存在著工期長、施工空間狹窄、安全性低等問題。夏軍武[1]、李寶堂等[2]提出用滑模操作平臺(tái)作為倉頂施工支撐平臺(tái)的方法，從平臺(tái)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)效益對比和平臺(tái)加固方法分別進(jìn)行了分析，提高了施工的技術(shù)水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文依托中央儲(chǔ)備糧某地直屬庫建設(shè)項(xiàng)目，為了緩解設(shè)備需求，提高施工效率而采用了不落地空間鋼結(jié)構(gòu)[3-4]對倉頂施工面進(jìn)行支撐。與傳統(tǒng)的腳手架支撐相比較，新型空間鋼支撐施工先于筒倉滑模組裝，附著滑模工程進(jìn)行滑升，提高了滑升設(shè)備使用率；頂部施工時(shí)僅進(jìn)行局部的二次支撐搭設(shè)及模板工程，從而縮短了施工工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

中央儲(chǔ)備糧某地直屬庫建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)主體是4個(gè)30 m直 徑淺圓筒倉及2部提升塔架鋼結(jié)構(gòu)工程。該工程淺圓倉占地面積2 762 m2，建筑面積2 052 m2，單倉容量7 500 t，總倉容量3萬t，儲(chǔ)糧品種為小麥、玉米；設(shè)計(jì)使用年限為50 a，屋面防水等級(jí)為一級(jí)，抗震烈度為6度，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，儲(chǔ)存危險(xiǎn)火災(zāi)為丙類，通風(fēng)形式為網(wǎng)狀通風(fēng)道。本工程的淺圓倉室內(nèi)標(biāo)高±0.000的絕對高程為194.4 m，室內(nèi)外高差為300 mm。主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，倉壁厚280 mm。倉的檐口高度26.6 m，頂部裝梁線標(biāo)高24.73 m，屋蓋形式為鋼筋混凝土錐殼頂蓋，頂部采用移動(dòng)式輸送設(shè)備裝車；倉下底收緊，底部凈高2.1 m，通過墻板形成5條倉下出梁作業(yè)通道。地基采用CFG樁復(fù)合地基，樁徑為400 mm，CFG樁頂設(shè)300 mm厚級(jí)配砂石褥墊層，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。提升塔架結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)，建筑高度為35.8 m；建筑面積為154 m2，占地面積22 m2，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。

2 空間鋼支撐的施工與使用過程分析

鋼支撐中的桿件提前輸送到筒倉內(nèi)部，進(jìn)行組裝，隨滑模施工鋪設(shè)導(dǎo)軌，后滑升到合適高度，施工后落地拆卸。

2.1 空間鋼支撐施工過程

1)滑模鋼型平臺(tái)→滑模滑升至設(shè)計(jì)標(biāo)高預(yù)埋鋼牛腿暗榫→滑模脫?；铡趥}壁選10個(gè)吊點(diǎn)→利用支撐桿加固吊點(diǎn)→在吊架上安裝鋼牛腿拆除滑模裝置→在倉內(nèi)拼裝鋼型平臺(tái)(拼裝中心盤→安裝輻射梁→安裝斜支撐→掛輻射拉桿→鎖環(huán)形鋼管)→安裝鋼型平臺(tái)環(huán)形鋼管→鋼型平臺(tái)上掛綁大眼安全網(wǎng)→在鋼型平臺(tái)斜梁搭設(shè)支模架承重豎桿。2)鎖掛電動(dòng)倒鏈→調(diào)試電動(dòng)倒鏈長度→倒鏈鉤垂直鎖掛鋼型平臺(tái)受力點(diǎn)→調(diào)試電動(dòng)倒鏈?zhǔn)雇绞芰Α鷨?dòng)總控制箱進(jìn)行群吊。3)鋼型平臺(tái)水平吊起→將鋼型平臺(tái)就位在鋼牛腿上并加固牢靠。

2.2 倉筒頂部使用過程

1)二次支模鋼管架→支設(shè)倉頂模板→倉頂鋼筋綁扎→預(yù)留吊點(diǎn)→澆筑倉頂混凝土→倉頂混凝土達(dá)到拆模強(qiáng)度→拆除模板及二次支模鋼管架。2)啟動(dòng)總控制箱進(jìn)行群吊→鋼型平臺(tái)水平吊起。3)拆除鋼牛腿→鋼型平臺(tái)水平降落至地面→拆卸分解鋼型平臺(tái)(拆卸順序與安裝相反)運(yùn)至下組淺圓倉重復(fù)使用。

2.3 全過程設(shè)計(jì)中工況荷載分析

工況荷載及控制條件見表1。

表1 工況荷載及控制條件

3 結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的受力形式確立模型圖，采用大型有限元軟件MIDAS/Gen建立空間鋼支撐的模型，利用空間梁單元建立了鋼支撐結(jié)構(gòu)的頂、中、底環(huán)梁，中心柱、上弦斜桿、斜撐、下弦拉索等部件，各桿件之間采用剛性連接方式，對空間鋼支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程仿真分析[5-14]，并對鋼支撐結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的內(nèi)力以及變形進(jìn)行了分析。空間鋼支撐整體有限元模型如圖1所示。

3.1 荷載取值

恒載：25 kN/m3×0.2 m/cos27°=5.61 kN/m2，活載：1.5 kN/m2。恒載與活載的取值、分項(xiàng)系數(shù)以及荷載組合方式分別按照J(rèn)GJ 162—2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[15]中的4.1.1，4.1.2，4.2.3，4.3.2的規(guī)定選取。

3.2 工況過程分析

3.2.1 鋼支撐組裝過程分析

在鋼支撐組裝過程中，由于不同的組裝次序會(huì)給結(jié)構(gòu)自身帶來不同的影響，通過對組裝完成后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及變形分析(見圖2)，可以確保結(jié)構(gòu)的安全使用。

通過全過程模擬，注意到核心筒上輻射梁定位成為組裝關(guān)鍵，故要求定位誤差不得超過3 mm，此時(shí)輻射梁外端內(nèi)力變形可控制在3 mm以內(nèi)，這樣才能為后續(xù)的施工提供數(shù)據(jù)支持。

3.2.2 鋼支撐滑升過程分析

鋼支撐在滑升過程中，利用倒鏈向上滑升的過程中需要使各部分一同向上爬升，10個(gè)吊點(diǎn)受力均勻，避免因受力不均導(dǎo)致鋼支撐結(jié)構(gòu)的傾覆(見圖3)。

通過全過程模擬，注意到鋼支撐在向上爬升過程中，需要控制電動(dòng)倒鏈均勻的向上提升，避免由于提升速度不一致導(dǎo)致鋼支撐吊點(diǎn)受力不均勻現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.2.3 頂部施加1/3荷載分析

當(dāng)在施工過程中，鋼支撐頂部施工到1/3進(jìn)度時(shí)，通過對其進(jìn)行受力以及變形分析(見圖4)，將其與現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，保持結(jié)構(gòu)具有足夠的安全系數(shù)。

通過全過程模擬，注意到在現(xiàn)場施工過程中結(jié)構(gòu)中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達(dá)到了12.3 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐的沉降量要小于5 cm。

3.2.4 頂部施加2/3荷載分析

當(dāng)在施工過程中，鋼支撐頂部施工到2/3進(jìn)度時(shí)，通過對其進(jìn)行受力以及變形分析(見圖5)，將其與現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而更好的確保鋼支撐結(jié)構(gòu)的安全。

通過分析，注意到在現(xiàn)場施工過程中結(jié)構(gòu)中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達(dá)到了13.5 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐結(jié)構(gòu)的沉降量要小于5 cm。模擬數(shù)據(jù)可以為實(shí)際的施工提供理論數(shù)據(jù)參考，指導(dǎo)現(xiàn)場的施工。

3.2.5 頂部施加全荷載分析

當(dāng)鋼支撐頂部完成施工時(shí)，這時(shí)候整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的受力以及變形是最明顯的，通過對這時(shí)候的內(nèi)力以及變形進(jìn)行分析(見圖6)，可以為現(xiàn)場的施工提供參考。

通過全過程模擬，注意到在現(xiàn)場施工過程中結(jié)構(gòu)中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達(dá)到了14.7 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐結(jié)構(gòu)的沉降量要小于5 cm。

3.2.6 鋼結(jié)構(gòu)卸載過程分析

鋼支撐卸載的順序正好與安裝的順序相反，通過對卸載過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及變形進(jìn)行分析(見圖7)，可以為現(xiàn)場鋼支撐結(jié)構(gòu)的卸載提供數(shù)據(jù)參考，保證工人在卸載過程中的安全。

通過全過程模擬，注意到鋼支撐在卸載過程中中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達(dá)到了12.1 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐結(jié)構(gòu)的沉降量小于5 cm。確保工人在卸載過程中的安全。

通過對鋼支撐桿件進(jìn)行不同工況下的應(yīng)力以及整體結(jié)構(gòu)的位移仿真分析，得到鋼支撐各桿件的應(yīng)力以及整體的位移如圖8所示(A～K分別代表鋼支撐中的中心柱、底環(huán)梁、中心筒豎桿(下)、中環(huán)梁、中心筒環(huán)桿(下)、中心筒豎桿(上)、頂環(huán)梁、中心筒斜撐、中心筒環(huán)桿(上)、上弦桿輻射梁、腹桿斜撐等)。

頂環(huán)梁在工況6作用下，桿件的最大應(yīng)力達(dá)到了214.24 MPa。在全荷載作用下(工況5)鋼支撐整體結(jié)構(gòu)的最大下沉位移是14.7 mm，在實(shí)際施工過程中我們需要控制鋼支撐的撓度要小于?T=L/600=50 mm，由GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[16]可知，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果完全滿足國家現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.3 優(yōu)化后桿件配置

通過對空間鋼支撐結(jié)構(gòu)以各桿件最大應(yīng)力為條件進(jìn)行優(yōu)化，在滿足相應(yīng)國家現(xiàn)行規(guī)范要求的強(qiáng)度下，求出合理的構(gòu)件截面，以結(jié)構(gòu)的重量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到結(jié)構(gòu)重量最輕。

經(jīng)過合理分析，優(yōu)化后的桿件配置，既保證了桿件組裝和拆卸合理有序減少大型機(jī)械對施工干擾，又適應(yīng)了合理降低成本要求，優(yōu)化后的各桿件如表2所示。

表2 優(yōu)化后的空間鋼支撐桿件配置

最后，將所有連接設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度摩擦型螺栓連接，以保證結(jié)構(gòu)的可拆卸，并為結(jié)構(gòu)使用提供可靠的安全儲(chǔ)備。

4 現(xiàn)場預(yù)壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 場地拼裝

為加快施工進(jìn)度，環(huán)梁、牛腿等桿件在外部加工以后，利用吊車將其吊入到筒倉內(nèi)部進(jìn)行組裝，部分組裝桿件如圖9所示。根據(jù)鋼支撐自重整體位移，施工中，對下環(huán)梁及中心筒進(jìn)行墊高處理，從而形成結(jié)構(gòu)反拱，起拱高度為13 mm，用來抵消自重及二次支撐自重帶來的鋼支撐撓度。

4.2 鋼支撐整體拼裝

鋼支撐整體拼裝見圖10。

4.3 預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

為使鋼支撐各桿件能夠有更好的接觸，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，對鋼支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行若干次預(yù)加載，使荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定；同時(shí)驗(yàn)證該空間鋼支撐是否能可靠工作。

預(yù)壓實(shí)驗(yàn)按照施工順序進(jìn)行，首選進(jìn)行鋼支撐結(jié)構(gòu)的組裝、其次進(jìn)行二次支模、鋼結(jié)構(gòu)上施加1/3施工荷載、鋼結(jié)構(gòu)上施加2/3施工荷載、鋼結(jié)構(gòu)上施加全部施工荷載的順序進(jìn)行預(yù)壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 結(jié)構(gòu)預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過分析，鋼支撐在全荷載作用下，桿件內(nèi)力的最大設(shè)計(jì)值與現(xiàn)場監(jiān)測值比較接近，結(jié)構(gòu)整體變形的最大設(shè)計(jì)值和現(xiàn)場監(jiān)測值有一定的偏差，造成偏差的原因有很多，例如測量誤差、模擬簡化都是造成偏差的主要原因，但是計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果總體上吻合較好，證實(shí)了設(shè)計(jì)過程合理，結(jié)果可靠。

5 結(jié)語

本文為中央儲(chǔ)備糧某地直屬庫建設(shè)項(xiàng)目的倉頂施工設(shè)計(jì)了一個(gè)可提升式空間鋼支撐結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)力分析，得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及變形情況，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)具有可操作性，同時(shí)這種鋼支撐結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)腳手架支撐結(jié)構(gòu)來說具有一定的創(chuàng)新性，更加便于施工，可以為類似結(jié)構(gòu)施工方案提供參考。通過對空間鋼支撐的全過程分析，可以根據(jù)不同的工況選擇不同的應(yīng)力與位置進(jìn)行截面的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)具有較大的安全系數(shù)，對于現(xiàn)場的施工具有較大的保障作用，同時(shí)也提高了材料的使用率以及經(jīng)濟(jì)效益。通過對組裝好的空間鋼支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場的預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，得到了鋼支撐結(jié)構(gòu)在施工過程中各桿件的應(yīng)力以及鋼支撐結(jié)構(gòu)的位移變化情況，更好的驗(yàn)證了該空間鋼支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的可靠性。