新型筒倉剛性滑模平臺模塊化設(shè)計研究

孟文清，趙 鵬，張亞鵬，倪時華，楊雪堯

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省結(jié)構(gòu)工程裝配式技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038；3.中煤建安公司第七十三工程處，河北 邯鄲 056106)

大直徑筒倉結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)解決了煤炭等資源的儲存問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。大直徑筒倉滑模工藝中常用的操作平臺有剛性和柔性兩種形式，采用剛性滑模平臺施工時，剛性滑模平臺不僅可以為筒倉滑升階段提供操作平臺，滑升階段結(jié)束后還可以作為施工倉頂結(jié)構(gòu)的有力支撐。綜合國內(nèi)外學(xué)者對大直徑筒倉滑模平臺的研究可知，解決大直徑筒倉剛性滑模平臺施工時承載能力不足的辦法大多為搭設(shè)中心架、設(shè)置斜拉撐，以及筒倉倉頂錐殼分多次澆筑，這些辦法皆存在成本高、工期長等問題。同時，由于不同直徑筒倉施工時需要制作不同直徑的剛性滑模平臺，造成了剛性滑模平臺的閑置與浪費。針對以上問題，本文開發(fā)了一種承載能力高、通用性強(qiáng)的新型模塊化剛性滑模平臺體系，并利用對有限元分析，檢驗其是否滿足承載能力要求。

1 模塊化剛性滑模平臺設(shè)計

模塊化剛性滑模平臺由輻射桁架、拉桿、鼓圈以及環(huán)向支撐等組成，模塊化剛性滑模平臺主要桿件截面參數(shù)見表1，剛性滑模平臺組成截面如圖1所示。

1.1 輻射桁架

輻射桁架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為高度1.03m的雙角鋼桁架，桁架上下弦拼接時，拼接所用的連接角鋼及連接蓋板與上下弦采用普通螺栓連接，上弦拼接時均采用K型節(jié)點。

表1 剛性滑模平臺主要桿件截面參數(shù) mm

圖1 剛性滑模平臺組成截面示意

1.2 鼓圈

鼓圈由上環(huán)梁、下環(huán)梁、豎向撐桿、中心盤架以及中心輻射桁架組成，鼓圈高度2.72m，為了方便安裝與運輸，鼓圈上下環(huán)梁由四段拼接而成，采用法蘭連接，豎向撐桿與上下環(huán)梁、中心盤架與中心輻射桁架以及中心輻射桁架與上下環(huán)梁之間均采用螺栓連接。鼓圈形式如圖2所示。

圖2 鼓圈形式

1.3 拉桿

拉桿均為雙角鋼拉桿，接長所用的連接角鋼及連接蓋板與拉桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用普通螺栓連接，拉桿兩端分別與鼓圈下環(huán)梁及輻射桁架下弦節(jié)點采用螺栓連接。

1.4 環(huán)向支撐

環(huán)向支撐為高度1.156m的桁架，上下弦為槽鋼，腹桿為單角鋼，環(huán)向支撐上下弦通過M16U型螺栓與輻射桁架上下弦相連。

1.5 節(jié)點

輻射桁架拼接節(jié)點如圖3所示。上下弦抹角連接角鋼分別為L90×10與L63×8，連接蓋板尺寸分別為440mm×210mm×10mm與340mm×150mm×10mm，上下弦節(jié)點螺栓均為8.8級普通螺栓，螺栓型號分別為M20與M16。

圖3 節(jié)點示意

1.6 平臺模數(shù)組合

利用4種長度輻射桁架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、3種長度拉桿、2種型號鼓圈、3種型號環(huán)向支撐組合形成直徑為18m、22m、25m、28m、34m剛性滑模平臺，其中，Ⅰ型與Ⅱ型鼓圈直徑分別為6m與9m，A型、B型、C型環(huán)向支撐節(jié)間距分別為0.59m、0.87m、1.2m。模塊化剛性滑模平臺體系見表2。

表2 模塊化剛性滑模平臺體系

2 荷載統(tǒng)計

與剛性滑模平臺相關(guān)的筒倉施工主要有倉壁滑模施工及倉頂結(jié)構(gòu)施工，倉壁滑模施工與倉頂結(jié)構(gòu)施工分別如圖4、圖5所示，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)、《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 162—2008)以及《滑動模板工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50113—2005)規(guī)定，分別對倉壁滑模施工以及倉頂結(jié)構(gòu)施工過程中荷載進(jìn)行分析統(tǒng)計。

圖4 倉壁滑模施工示意

圖5 倉頂結(jié)構(gòu)施工示意

倉壁滑模施工過程恒載包括鋼平臺骨架、跳板、木方自重，恒載取0.25kN/m2；活載包括零星堆料、施工活荷載、液壓控制柜、模板與混凝土的摩阻力，其中零星堆料與施工活荷載取2.5kN/m2(平臺滑升期間，活荷載只作用在輻射桁架處且不會堆滿，開支架到開支架往里3m范圍內(nèi)可以堆放活荷載)；液壓控制柜按集中荷載取5kN；模板與混凝土的摩阻力1.5kN/m2(滑升時考慮，?；瑫r不考慮摩擦力)。

倉頂結(jié)構(gòu)施工過程恒載包括平臺鋼骨架、跳板、木方、倉頂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及其模板體系的自重，活載取2kN/m2(沒有大型布料機(jī))。按照本次平臺設(shè)計思想，倉頂結(jié)構(gòu)施工分為兩個施工工況，工況一為倉頂錐殼一次澆筑完成，工況二為錐殼混凝土強(qiáng)度滿足自身承載力后倉頂上環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)一次澆筑完成。

據(jù)以往實際工程統(tǒng)計，內(nèi)徑為18m、22m、25m、28m、34m的筒倉錐殼厚度小于等于0.5m，錐殼傾斜角在45°左右，錐殼高度小于等于7.5m，內(nèi)環(huán)梁直徑接近筒倉直徑的一半。根據(jù)上述情況按倉頂結(jié)構(gòu)不利荷載統(tǒng)計，由外部恒載產(chǎn)生的豎向荷載(不含鋼平臺自重)統(tǒng)計見表3。

通過對倉壁滑模施工階段以及倉頂結(jié)構(gòu)施工階段的荷載進(jìn)行統(tǒng)計計算并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，發(fā)現(xiàn)倉壁滑模施工階段的荷載對剛性滑模平臺不起控制作用，所以按倉頂結(jié)構(gòu)施工階段對平臺進(jìn)行分析研究。

表3 外部恒載產(chǎn)生的豎向荷載

3 剛性滑模平臺有限元分析

利用有限元軟件SAP2000對直徑18m、22m、25m、28m、34m的剛性滑模平臺分別進(jìn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度及變形值分析計算。鋼材為Q345B，彈性模量E取2.06×105N/mm2，泊松比取0.3，質(zhì)量密度取7850kN/m3。剛性滑模平臺計算時按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)受壓構(gòu)件長細(xì)比控制值為150，平臺變形控制值為L/250，最大應(yīng)力比控制值為0.9。剛性滑模平臺上由恒載產(chǎn)生的豎向外荷載(不含鋼平臺自重)取值按表3執(zhí)行，由于恒載起控制作用，計算強(qiáng)度組合為1.3恒載+1.5活載，計算變形組合為1.0恒載+1.0活載。

3.1 直徑34m剛性滑模平臺有限元分析

3.1.1 有限元模型建立

有限元模型建立時，輻射桁架的弦桿與腹桿分別設(shè)置為梁單元與桿單元，支撐在筒倉倉壁上的輻射桁架端部節(jié)點簡化為只施加UY、UZ向約束的支座。工況一平臺有限元計算模型如圖6所示。

圖6 工況一平臺有限元計算模型

3.1.2 有限元計算結(jié)果

經(jīng)過不斷優(yōu)化調(diào)整，各直徑剛性滑模平臺組成桿件在最不利組合工況下最大應(yīng)力值為290.52MPa，最大豎向位移為103.54mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與豎向變形值均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。直徑34m剛性滑模平臺應(yīng)力最大值見表4。

3.2 直徑18～28m剛性滑模平臺有限元分析

根據(jù)表2中組合信息以及直徑34m剛性滑模平臺模型參數(shù)，分別建立直徑18m、22m、25m、28m剛性滑模平臺有限元模型，并分別對剛性滑模平臺模型施加外荷載，進(jìn)行強(qiáng)度與豎向變形有限元驗算，直徑18～28m剛性滑模平臺應(yīng)力最大值、豎向位移最大值見表5。

表4 34m剛性滑模平臺應(yīng)力最大值

表5 直徑18～28m剛性滑模平臺應(yīng)力及豎向位移最大值

由以上計算結(jié)果可知，兩種工況下各直徑平臺承載力及豎向變形均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

3.3 節(jié)點有限元計算

3.3.1 節(jié)點有限元模型建立

有限元軟件ABAQUS在節(jié)點計算中優(yōu)勢明顯，本次節(jié)點驗算運用ABAQUS進(jìn)行模擬計算。通過對鼓圈、拉桿及輻射桁架上的節(jié)點與內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，直徑34m剛性滑模平臺靠近輻射桁架跨中的拼接節(jié)點為最不利節(jié)點，故對其進(jìn)行承載力計算分析。對于試件中所用鋼材，采用線彈性強(qiáng)化模型和Von Mises屈服準(zhǔn)則，單元網(wǎng)格劃分為六面體單元，單元尺寸約為10mm×10mm，采用中性軸算法進(jìn)行網(wǎng)格屬性控制，節(jié)點有限元模型如圖7所示。

圖7 節(jié)點有限元模型

3.3.2 加載方式及邊界設(shè)置

在各桿件端部截面的形心設(shè)置參考點，將參考點與加載構(gòu)件截面結(jié)點耦合，在參考點上施加外部荷載。為了盡可能接近實際約束情況，上弦節(jié)點在弦桿端部施加軸向荷載F1、F2，豎腹桿施加軸向荷載F3、F4，設(shè)置弦桿軸向方向為1軸，豎腹桿軸向方向為2軸，垂直于 1、2 軸平面方向為3軸，斜腹桿釋放沿3軸的轉(zhuǎn)動約束并對弦桿施加3軸方向徑向位移約束。下弦節(jié)點在弦桿端部施加軸向荷載F1、F2，豎腹桿施加軸向荷載F3、F4，豎腹桿釋放沿3軸的轉(zhuǎn)動約束并對弦桿施加3軸方向的徑向位移約束，節(jié)點邊界條件與加載方式如圖8所示。

圖8 節(jié)點邊界條件與加載方式

3.3.3 有限元計算結(jié)果及分析

上弦節(jié)點與下弦節(jié)點應(yīng)力如圖9所示。由有限元模擬結(jié)果可知，在設(shè)計荷載作用時，上弦節(jié)點連接角鋼及連接蓋板中部出現(xiàn)彎剪區(qū)，且應(yīng)力值分布在130～200MPa之間，上弦螺栓孔附近出現(xiàn)應(yīng)力最大值σmax=260MPa；下弦節(jié)點區(qū)域絕大部分應(yīng)力值小于180MPa，下弦螺栓孔附近及連接角鋼中部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力最大值為σmax=232MPa。上下弦節(jié)點應(yīng)力均小于Q345鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值310MPa，節(jié)點均處于彈性工作狀態(tài)，故拼接節(jié)點能夠滿足輻射桁架拼接節(jié)點使用要求。

圖9 節(jié)點應(yīng)力云圖

4 模塊化筒倉剛性滑模平臺適用范圍

筒倉錐殼厚度小于等于0.5m且錐殼垂直高度小于等于8.3m，內(nèi)環(huán)梁及井字梁截面尺寸不大于0.5m×1.6m，內(nèi)環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)板厚小于等于0.2m，活荷載限制為2kN/m2(沒有大型布料機(jī))，倉頂結(jié)構(gòu)施工時，錐殼一次澆筑，待錐殼滿足自身承載力后上環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)一次澆筑，剛性滑模平臺適用于多種筒倉滑模施工。經(jīng)有限元驗算，內(nèi)徑18m、22m、25m、28m筒倉在以上條件下倉頂結(jié)構(gòu)施工時一般不再需要限制錐殼與上環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)的分布范圍。直徑34m剛性滑模平臺的適用范圍為錐殼水平投影長度7.5m≤L≤8.3m或者上環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)直徑17.4m≤d≤19m。如果實際工程超出模塊化剛性滑模平臺的適用范圍，需對剛性滑模平臺重新驗算并進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，滿足相關(guān)規(guī)范要求后，方可進(jìn)行施工。

5 結(jié) 論

1)利用有限元軟件SAP2000對各直徑剛性滑模平臺整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗算，并對輻射桁架、鼓圈、拉桿以及環(huán)向支撐進(jìn)行了截面優(yōu)化，使得剛性滑模平臺經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計了一種輻射桁架拼接節(jié)點，利用有限元軟件ABAQUS對拼接節(jié)點承載力進(jìn)行了驗算，修正了不合理設(shè)計，使節(jié)點既滿足承載力要求，又方便施工安裝。

2)新型模塊化筒倉剛性滑模平臺組成簡單，具有較強(qiáng)的承載能力，大直徑筒倉倉頂結(jié)構(gòu)施工時不再需要搭設(shè)豎向中心架與斜拉撐，并且剛性滑模平臺可以滿足筒倉錐殼一次澆筑與上環(huán)梁平面結(jié)構(gòu)一次澆筑，節(jié)約了成本，縮短了工期。

3)剛性滑模平臺的模塊化設(shè)計，滿足靈活、多樣的用戶需求，同時簡化了設(shè)計、制造及運輸過程，形成了一套適應(yīng)多種直徑剛性滑模平臺體系，增強(qiáng)了剛性滑模平臺的通用性。