淺圓筒倉頂板下空間鋼支撐全過程模擬及設計

韓建林

(中鐵房地產集團商業(yè)地產開發(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構形式，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作為倉頂施工支撐平臺的方法，從平臺的穩(wěn)定性、經濟效益對比和平臺加固方法分別進行了分析，提高了施工的技術水平，取得了良好的經濟和社會效益。本文依托中央儲備糧某地直屬庫建設項目，為了緩解設備需求，提高施工效率而采用了不落地空間鋼結構[3-4]對倉頂施工面進行支撐。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，附著滑模工程進行滑升，提高了滑升設備使用率；頂部施工時僅進行局部的二次支撐搭設及模板工程，從而縮短了施工工期，提高了經濟效益。

1 工程概況

中央儲備糧某地直屬庫建設項目建設主體是4個30 m直 徑淺圓筒倉及2部提升塔架鋼結構工程。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，儲糧品種為小麥、玉米；設計使用年限為50 a，屋面防水等級為一級，抗震烈度為6度，建筑結構安全等級為二級，儲存危險火災為丙類，通風形式為網狀通風道。本工程的淺圓倉室內標高±0.000的絕對高程為194.4 m，室內外高差為300 mm。主體結構形式為鋼筋混凝土筒體結構，倉壁厚280 mm。倉的檐口高度26.6 m，頂部裝梁線標高24.73 m，屋蓋形式為鋼筋混凝土錐殼頂蓋，頂部采用移動式輸送設備裝車；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樁復合地基，樁徑為400 mm，CFG樁頂設300 mm厚級配砂石褥墊層，基礎形式為筏板基礎。提升塔架結構形式為鋼結構，建筑高度為35.8 m；建筑面積為154 m2，占地面積22 m2，基礎形式為筏板基礎。

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部，進行組裝，隨滑模施工鋪設導軌，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→滑模滑升至設計標高預埋鋼牛腿暗榫→滑模脫模滑空→在倉壁選10個吊點→利用支撐桿加固吊點→在吊架上安裝鋼牛腿拆除滑模裝置→在倉內拼裝鋼型平臺(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)→安裝鋼型平臺環(huán)形鋼管→鋼型平臺上掛綁大眼安全網→在鋼型平臺斜梁搭設支模架承重豎桿。2)鎖掛電動倒鏈→調試電動倒鏈長度→倒鏈鉤垂直鎖掛鋼型平臺受力點→調試電動倒鏈使同步受力→啟動總控制箱進行群吊。3)鋼型平臺水平吊起→將鋼型平臺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→支設倉頂模板→倉頂鋼筋綁扎→預留吊點→澆筑倉頂混凝土→倉頂混凝土達到拆模強度→拆除模板及二次支模鋼管架。2)啟動總控制箱進行群吊→鋼型平臺水平吊起。3)拆除鋼牛腿→鋼型平臺水平降落至地面→拆卸分解鋼型平臺(拆卸順序與安裝相反)運至下組淺圓倉重復使用。

2.3 全過程設計中工況荷載分析

工況荷載及控制條件見表1。

表1 工況荷載及控制條件

3 結構有限元分析及優(yōu)化

根據整體結構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構的頂、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，對空間鋼支撐結構進行施工全過程仿真分析[5-14]，并對鋼支撐結構在各個工況下的內力以及變形進行了分析。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、分項系數以及荷載組合方式分別按照JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術規(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給結構自身帶來不同的影響，通過對組裝完成后結構的內力以及變形分析(見圖2)，可以確保結構的安全使用。

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

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個吊點受力均勻，避免因受力不均導致鋼支撐結構的傾覆(見圖3)。

通過全過程模擬，注意到鋼支撐在向上爬升過程中，需要控制電動倒鏈均勻的向上提升，避免由于提升速度不一致導致鋼支撐吊點受力不均勻現象的產生。

3.2.3 頂部施加1/3荷載分析

當在施工過程中，鋼支撐頂部施工到1/3進度時，通過對其進行受力以及變形分析(見圖4)，將其與現場的監(jiān)測數據進行對比，保持結構具有足夠的安全系數。

通過全過程模擬，注意到在現場施工過程中結構中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達到了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

當在施工過程中，鋼支撐頂部施工到2/3進度時，通過對其進行受力以及變形分析(見圖5)，將其與現場的監(jiān)測數據進行對比分析，從而更好的確保鋼支撐結構的安全。

通過分析，注意到在現場施工過程中結構中間環(huán)形梁以及中心柱位移較大，位移峰值達到了13.5 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐結構的沉降量要小于5 cm。模擬數據可以為實際的施工提供理論數據參考，指導現場的施工。

3.2.5 頂部施加全荷載分析

當鋼支撐頂部完成施工時，這時候整個鋼結構的受力以及變形是最明顯的，通過對這時候的內力以及變形進行分析(見圖6)，可以為現場的施工提供參考。

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

3.2.6 鋼結構卸載過程分析

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構的內力以及變形進行分析(見圖7)，可以為現場鋼支撐結構的卸載提供數據參考，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，位移峰值達到了12.1 mm，在施工過程中需要控制鋼支撐結構的沉降量小于5 cm。確保工人在卸載過程中的安全。

通過對鋼支撐桿件進行不同工況下的應力以及整體結構的位移仿真分析，得到鋼支撐各桿件的應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，桿件的最大應力達到了214.24 MPa。在全荷載作用下(工況5)鋼支撐整體結構的最大下沉位移是14.7 mm，在實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鋼結構設計標準[16]可知，設計計算結果完全滿足國家現行規(guī)范要求。

3.3 優(yōu)化后桿件配置

通過對空間鋼支撐結構以各桿件最大應力為條件進行優(yōu)化，在滿足相應國家現行規(guī)范要求的強度下，求出合理的構件截面，以結構的重量為目標進行優(yōu)化，達到結構重量最輕。

經過合理分析，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械對施工干擾，又適應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，將所有連接設計為高強度摩擦型螺栓連接，以保證結構的可拆卸，并為結構使用提供可靠的安全儲備。

4 現場預壓實驗設計與實施

4.1 場地拼裝

為加快施工進度，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部進行組裝，部分組裝桿件如圖9所示。根據鋼支撐自重整體位移，施工中，對下環(huán)梁及中心筒進行墊高處理，從而形成結構反拱，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 預壓實驗

為使鋼支撐各桿件能夠有更好的接觸，進入正常工作狀態(tài)，對鋼支撐結構進行若干次預加載，使荷載與變形關系趨于穩(wěn)定；同時驗證該空間鋼支撐是否能可靠工作。

預壓實驗按照施工順序進行，首選進行鋼支撐結構的組裝、其次進行二次支模、鋼結構上施加1/3施工荷載、鋼結構上施加2/3施工荷載、鋼結構上施加全部施工荷載的順序進行預壓實驗。實驗結果見表3。

表3 結構預壓實驗結果

通過分析，鋼支撐在全荷載作用下，桿件內力的最大設計值與現場監(jiān)測值比較接近，結構整體變形的最大設計值和現場監(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，但是計算結果與實測結果總體上吻合較好，證實了設計過程合理，結果可靠。

5 結語

本文為中央儲備糧某地直屬庫建設項目的倉頂施工設計了一個可提升式空間鋼支撐結構，并利用有限元軟件對結構進行了內力分析，得到了整個結構的應力分布以及變形情況，驗證了該結構具有可操作性，同時這種鋼支撐結構對于傳統(tǒng)腳手架支撐結構來說具有一定的創(chuàng)新性，更加便于施工，可以為類似結構施工方案提供參考。通過對空間鋼支撐的全過程分析，可以根據不同的工況選擇不同的應力與位置進行截面的設計，保證結構具有較大的安全系數，對于現場的施工具有較大的保障作用，同時也提高了材料的使用率以及經濟效益。通過對組裝好的空間鋼支撐結構進行現場的預壓實驗，得到了鋼支撐結構在施工過程中各桿件的應力以及鋼支撐結構的位移變化情況，更好的驗證了該空間鋼支撐結構設計以及優(yōu)化的可靠性。