徐高翔,龔景海,吳 贊
(1.上海交通大學(xué)土木工程系,上海 200240;2.中煤建筑安裝工程集團(tuán)有限公司,河北 邯鄲 056002)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地資源的日益短缺,我國(guó)對(duì)工業(yè)儲(chǔ)料倉(cāng)的建造成本、空間利用率提出了更高要求[1],國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在環(huán)境治理層面也要求煤炭、礦石等散料在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中不得外露。因此,我國(guó)許多鋼鐵企業(yè)、發(fā)電廠、水泥廠、選煤廠均需建設(shè)大型封閉式儲(chǔ)料倉(cāng)。傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)高度有限,空間利用率低;而鋼筋混凝土薄殼空間容量大,結(jié)構(gòu)封閉,在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保層面均有優(yōu)勢(shì)[2]。但傳統(tǒng)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)模板搭設(shè)困難、造價(jià)高;且混凝土澆筑困難,極大地影響了施工質(zhì)量。因此,大型鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用受到嚴(yán)重阻礙[3]。
氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用充氣膜代替常規(guī)模板(見(jiàn)圖1),解決了傳統(tǒng)混凝土薄殼模板費(fèi)用高、施工難度大的問(wèn)題。施工步驟包括:環(huán)形基礎(chǔ)施工;充氣膜展平并與環(huán)形基梁固定;利用鼓風(fēng)機(jī)吹膜成型;維持內(nèi)壓不變,在膜內(nèi)依次噴射聚氨酯保溫層,綁扎鋼筋,噴射混凝土;卸壓并進(jìn)行結(jié)構(gòu)開(kāi)洞處理[1-5]。其中,混凝土層包括構(gòu)造層和結(jié)構(gòu)層,分別多次噴射完畢。由于充氣膜模板剛度較小,實(shí)際工程中首層構(gòu)造層厚度通常控制在10mm以內(nèi),待構(gòu)造層硬化形成足夠剛度,方可進(jìn)行結(jié)構(gòu)層噴射。近50年來(lái),氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)外被廣泛應(yīng)用,包括物料儲(chǔ)倉(cāng)、商業(yè)中心、禮堂、體育場(chǎng)館等[6]。2012年以來(lái),國(guó)內(nèi)建成多個(gè)氣膜鋼筋混凝土儲(chǔ)料倉(cāng),其中葫蘆素煤礦選煤廠工程比傳統(tǒng)儲(chǔ)煤倉(cāng)節(jié)約用地3萬(wàn)多m2。
圖1 氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)
2017年,NB/T 51079—2017《氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]正式實(shí)施,為保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,要求將施工階段結(jié)構(gòu)最大撓度控制在跨度的1%以內(nèi)。由于氣膜模板剛度較小,工程經(jīng)驗(yàn)、理論研究匱乏,實(shí)際施工過(guò)程極易引起局部凹陷甚至整體坍塌。在某試驗(yàn)性工程混凝土噴射過(guò)程中,雖制定了詳細(xì)的施工組織方案,在實(shí)際混凝土噴射過(guò)程中仍發(fā)生了不可控制的局部凹陷。氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,常規(guī)有限元分析方法以成型后的結(jié)構(gòu)作為分析模型,難以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)荷載、混凝土齡期隨施工不斷變化的過(guò)程及混凝土分層噴射所引起的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)剛度和承載力的改變。另外,由于結(jié)構(gòu)模型大、工期長(zhǎng),逐個(gè)建立每個(gè)工作日模型需面臨難以完成的巨大工作量。由此可見(jiàn),氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用,不僅是施工技術(shù)層面的問(wèn)題,更需建立施工過(guò)程模擬方法和理論,實(shí)現(xiàn)施工變形的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制。
本文采用多步驟非線性階段施工有限元分析方法并結(jié)合分層殼單元,對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的容量最大的大海則氣膜鋼筋混凝土儲(chǔ)煤倉(cāng)混凝土噴射過(guò)程進(jìn)行模擬,詳細(xì)分析施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)整體變形特征、局部變形較大位置及充氣膜應(yīng)力變化情況,保障施工安全。在此基礎(chǔ)上,討論影響施工變形的主要因素,提出混凝土噴射方案的優(yōu)化調(diào)整方向,使施工階段的結(jié)構(gòu)變形得到更好控制,有助于該施工技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
大海則礦井及選煤廠原煤球倉(cāng)結(jié)構(gòu)跨度為66m,倉(cāng)體高66.5m,其中,下部結(jié)構(gòu)為33.5m高的圓柱面,上部結(jié)構(gòu)為33m半徑的半球面。直壁段殼厚1 100mm,曲壁段自下而上由1 100mm漸變?yōu)?50mm,如圖2所示。該項(xiàng)目是目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的容量最大的氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
圖2 結(jié)構(gòu)示意
該結(jié)構(gòu)采用自下而上、分層交圈的方式進(jìn)行混凝土噴射,同時(shí)在擬定方案時(shí)盡可能保證每日工作量相當(dāng)。具體施工方案為:將結(jié)構(gòu)沿外輪廓?jiǎng)澐譃?2個(gè)1m弧長(zhǎng)段,以此作為每次施工的基本單位;自下而上依次進(jìn)行構(gòu)造層和結(jié)構(gòu)1~8層施工,分別分多層噴射完成;構(gòu)造層總厚40mm,其中首層構(gòu)造層噴射厚度為6mm;結(jié)構(gòu)層的每次噴射厚度≤80mm,施工完成后底部總厚1 100mm,頂部總厚350mm;待混凝土完全硬化后,進(jìn)行結(jié)構(gòu)開(kāi)洞處理?;炷羾娚淇偣て跒?24d,其間包含設(shè)備檢修31d,實(shí)際施工工作日為193d。
考慮混凝土噴射過(guò)程中荷載、材料及結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)態(tài)變化,本文采用多步驟非線性階段施工有限元模擬方法。
混凝土噴射前3d結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。混凝土噴射前,由于內(nèi)壓P及聚氨酯增強(qiáng)作用,充氣膜模板具備一定的抗壓、抗彎剛度,能承受首層構(gòu)造層混凝土自重[8],因此將膜-聚氨酯組合材料薄殼結(jié)構(gòu)作為階段施工模擬的初始模型。施工第1天,噴射0~5m高度的首層構(gòu)造層混凝土,不考慮當(dāng)日混凝土剛度,僅將其作為荷載施加在初始模型上;施工第2天,進(jìn)行0~5m高度的2層構(gòu)造層及5~10m高度的首層構(gòu)造層噴射,此時(shí)首日所噴混凝土已具有一定剛度,因此除施加當(dāng)日噴射混凝土自重荷載外,將0~5m高度的結(jié)構(gòu)截面更換為“膜-聚氨酯-1d混凝土”組合截面;施工第3天同理,除施加當(dāng)日所噴0~15m高度混凝土自重荷載外,將0~5m,5~10m高度的截面分別替換為“膜-聚氨酯-1d混凝土-2d混凝土”組合截面和“膜-聚氨酯-1d混凝土”組合截面。
圖3 混凝土噴射前3d結(jié)構(gòu)斷面
以此類推,當(dāng)日所噴混凝土僅作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上,每個(gè)施工步分析前通過(guò)更新截面信息來(lái)考慮混凝土齡期的增長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)截面的變化,分析完成后的結(jié)構(gòu)形態(tài)作為下一個(gè)施工步的初始計(jì)算模型,直至完成整個(gè)施工過(guò)程的模擬。截面的定義和有限元分析方法采用分層殼單元法。
對(duì)于施工過(guò)程中截面不斷變化的氣膜鋼筋混凝土薄殼,可采用分層殼單元進(jìn)行模擬,如圖4所示。沿厚度方向?qū)卧x為多層,每層可設(shè)置成不同厚度和材料屬性,如膜、聚氨酯、不同齡期混凝土。其有限元原理是基于復(fù)合材料力學(xué)理論,根據(jù)平截面假定及層間無(wú)滑移假定,由各層材料的厚度和本構(gòu)關(guān)系得到分層殼截面剛度矩陣;在有限元計(jì)算中首先得到分層殼截面的中面應(yīng)變和轉(zhuǎn)角,然后由平截面假定得到各層應(yīng)變,最后得到各層應(yīng)力并合成整個(gè)殼截面的內(nèi)力[9]。分層殼單元在模擬剪力墻[9-11]、核心筒結(jié)構(gòu)[12]、混凝土樓板[13]等算例中具有良好的精度,能很好地模擬具有不同齡期的分層混凝土組合殼體結(jié)構(gòu)。
圖4 分層殼單元
采用SAP2000分層殼單元和階段施工模塊進(jìn)行氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程有限元模擬。根據(jù)施工進(jìn)度安排,階段施工工況分193個(gè)施工步進(jìn)行。基于Visual Basic語(yǔ)言及SAP2000 API函數(shù),編寫氣膜鋼筋混凝土施工模擬的有限元前處理程序,建立SAP2000施工模擬有限元模型。材料性能參數(shù)如表1所示,特定齡期混凝土彈性模量按表內(nèi)數(shù)值進(jìn)行線性插值;另外,對(duì)于1d混凝土彈性模量?jī)H取1%,是偏安全地考慮到噴射不均勻問(wèn)題及實(shí)際齡期可能不足1d等不確定因素,導(dǎo)致1d齡期混凝土可能難以提供有效的結(jié)構(gòu)剛度。
表1 材料性能參數(shù)
為研究施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形特征,取6個(gè)不同標(biāo)高點(diǎn)(見(jiàn)圖5),包括直壁段中點(diǎn)(15.000m)、起坡點(diǎn)(30.000m)、曲壁段點(diǎn)(40.000,49.000,58.000m)和頂點(diǎn),得到各節(jié)點(diǎn)施工全過(guò)程的豎向和水平位移變化曲線,如圖6所示,其中豎向位移向上為正,水平位移向外擴(kuò)張為正。
圖5 特征點(diǎn)選取
圖6 特征點(diǎn)施工全過(guò)程位移變化曲線
由圖6a可知,15.000,30.000,40.000m標(biāo)高點(diǎn)在施工過(guò)程中持續(xù)下降,而曲壁段49.000,58.000m標(biāo)高點(diǎn)和頂點(diǎn)在施工過(guò)程中存在抬升階段。曲壁段首層混凝土噴射時(shí)的結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖7所示,由于充氣膜剛度較小,在噴射處混凝土自重荷載W作用下,噴射位置發(fā)生了明顯下沉,同時(shí)截面軸力F2導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)抬升。因此,在曲壁段下部結(jié)構(gòu)噴射過(guò)程中,上部未噴部分持續(xù)抬升,直至上部結(jié)構(gòu)也開(kāi)始噴射首層混凝土。如49.000,58.000m標(biāo)高點(diǎn)和頂點(diǎn)在曲壁段混凝土噴射日(27步)開(kāi)始抬升,且分別在第38,68,84步不再抬升并發(fā)生明顯下降,均由當(dāng)日對(duì)應(yīng)區(qū)域首層混凝土的噴射導(dǎo)致。其中,頂點(diǎn)在施工過(guò)程中最大抬升值為167mm,施工完成后下降至初始位置以下112mm處。
圖7 曲壁段首層混凝土噴射時(shí)受力簡(jiǎn)圖
對(duì)于各點(diǎn)的水平位移,由圖6b可知,直壁段15.000,30.000m標(biāo)高點(diǎn)發(fā)生外鼓變形;曲壁段40.000,49.000,58.000m標(biāo)高點(diǎn)呈現(xiàn)內(nèi)凹變形,分別發(fā)生在對(duì)應(yīng)區(qū)域的首層混凝土噴射日;由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱,頂點(diǎn)基本不產(chǎn)生水平位移。
為更好地說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體變形特點(diǎn)及其隨施工進(jìn)行的變化情況,不同施工步下結(jié)構(gòu)整體變形曲線如圖8所示,其中豎向位移向上為正,水平位移向外擴(kuò)張為正。施工完成后的結(jié)構(gòu)位移如圖9所示。
圖8 不同施工步下結(jié)構(gòu)整體變形曲線
圖9 施工完成后的結(jié)構(gòu)位移云圖
由圖8a可知,在第27步前,由于只進(jìn)行了直壁段混凝土噴射,上部結(jié)構(gòu)隨直壁段下沉而發(fā)生整體下沉;隨著第27步曲壁段混凝土噴射,直壁段繼續(xù)下沉,曲壁段下部下沉、上部抬升,直至第84步穹頂抬升達(dá)到最大;此后隨著穹頂混凝土噴射,結(jié)構(gòu)再次發(fā)生整體下沉,最終結(jié)構(gòu)各位置豎向位移均處在初始位置以下。其中,豎向位移最大點(diǎn)在x=17.8m處(標(biāo)高57.800m),為363mm。
由圖8b可知,直壁段下部發(fā)生內(nèi)凹變形,上部發(fā)生外鼓變形;曲壁段下部發(fā)生外鼓變形,上部發(fā)生內(nèi)凹變形。由于曲壁段混凝土持續(xù)噴射,起坡處為平衡上部荷載,起到“箍環(huán)”的作用,環(huán)向受拉,因此隨施工的進(jìn)行持續(xù)發(fā)生外鼓變形。施工完成時(shí),結(jié)構(gòu)最大水平外鼓點(diǎn)位于31.500m標(biāo)高處,外鼓值為98.7mm,最大水平內(nèi)凹點(diǎn)位于54.800m標(biāo)高處,內(nèi)凹值為133mm。結(jié)構(gòu)豎向、水平位移均在規(guī)范限值(結(jié)構(gòu)跨度的1%)以內(nèi)。
由此可見(jiàn),氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)混凝土噴射過(guò)程的變形可分為整體下沉(變形前期1~30d)、下部結(jié)構(gòu)下沉的同時(shí)上部結(jié)構(gòu)抬升(變形中期31~92d)、再次整體下沉(變形后期93~224d)3個(gè)階段,劃分階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別是曲壁段首層構(gòu)造層混凝土噴射及穹頂首層構(gòu)造層混凝土噴射。
基于計(jì)算結(jié)果,本節(jié)主要研究混凝土噴射過(guò)程中結(jié)構(gòu)局部變形較大處及其發(fā)生原因;分析充氣膜應(yīng)力變化情況,以保障混凝土噴射過(guò)程順利進(jìn)行。
對(duì)結(jié)構(gòu)局部變形較大處位置及產(chǎn)生原因進(jìn)行總結(jié)分析,如表2所示。局部變形包括起坡處的水平外鼓和曲壁段的內(nèi)凹變形。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵施工步進(jìn)行非線性分析計(jì)算,得到曲壁段首層混凝土噴射前、后結(jié)構(gòu)局部變形輪廓線,如圖10所示(為了更清楚地展現(xiàn),將變形放大3倍)。由圖10可知,由于充氣膜結(jié)構(gòu)剛度較小,在曲壁段首層混凝土噴射時(shí)噴射位置發(fā)生局部變形突變,下部結(jié)構(gòu)由于已有混凝土提供剛度,變形很小。從變形結(jié)果看,充氣膜模板未發(fā)生反拱屈曲現(xiàn)象。
表2 局部變形
圖10 局部變形輪廓線
在曲壁段首層構(gòu)造層混凝土噴射階段,除引起局部變形外,膜材應(yīng)力也發(fā)生明顯下降。膜材拉應(yīng)力是保障施工過(guò)程中膜面不發(fā)生褶皺及混凝土順利噴射的前提。在600Pa充氣膜內(nèi)壓下,半球面膜材經(jīng)、緯向初始拉應(yīng)力均為10MPa。膜材應(yīng)力下降值如表3所示,在曲壁段混凝土噴射過(guò)程中,膜材經(jīng)、緯向應(yīng)力最大下降值分別為2.21,0.66MPa,分別占預(yù)應(yīng)力的22.1%,6.6%,可見(jiàn)施工過(guò)程中膜材能持續(xù)保持張拉狀態(tài)而不發(fā)生褶皺。
表3 膜材應(yīng)力下降值
膜材、聚氨酯、混凝土的彈性模量直接影響施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形。通過(guò)采用不同彈性模量材料進(jìn)行有限元模擬,分別研究這3種材料對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程變形的影響關(guān)系,探索施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形的主導(dǎo)因素,為實(shí)際工程的施工變形預(yù)測(cè)和材料選擇提供理論指導(dǎo)。
膜材、聚氨酯、1d混凝土彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響如圖11所示。在工程使用范圍內(nèi),對(duì)膜和聚氨酯分別取5種不同的彈性模量,混凝土主要考察其早期彈性模量,主要原因是結(jié)構(gòu)變形集中在混凝土噴射前期,當(dāng)混凝土完全硬結(jié)后,后續(xù)變形相對(duì)于前期小得多。由于1d混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)存在較大離散性和不確定性,且由于混凝土仍處于初凝階段,可能難以提供有效的結(jié)構(gòu)剛度,在0.1~10GPa取7種不同彈性模量。
圖11 膜、聚氨酯、1d混凝土彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響
由圖11可知,結(jié)構(gòu)位移隨3種材料彈性模量的增加而減小。在工程選用范圍內(nèi),膜材、聚氨酯彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響基本呈線性關(guān)系,且膜材的影響比聚氨酯更顯著。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的變形主要是在首層混凝土噴射時(shí)產(chǎn)生,而膜材彈性模量約為聚氨酯的1 000倍,厚度約為聚氨酯的1/50,因此膜材對(duì)充氣膜模板的剛度貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于聚氨酯?;炷猎缙趶椥阅A繉?duì)結(jié)構(gòu)變形的影響表現(xiàn)出明顯的非線性。當(dāng)彈性模量在0.1~1GPa時(shí),結(jié)構(gòu)變形隨混凝土早期模量的增加迅速減??;當(dāng)彈性模量取較大值,尤其在5~10GPa,彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響很小。其原因是當(dāng)混凝土早期模量較小時(shí)(與膜材模量相當(dāng)),首層混凝土噴射完成后結(jié)構(gòu)剛度雖有明顯提升,但在第2層混凝土噴射時(shí)仍能產(chǎn)生變形;當(dāng)混凝土早期模量遠(yuǎn)大于膜材,首層混凝土噴射完成后結(jié)構(gòu)剛度得到巨大提升,后續(xù)相同位置繼續(xù)噴射混凝土所產(chǎn)生的變形與首層混凝土噴射時(shí)產(chǎn)生的變形相比,幾乎可忽略不計(jì)。膜材、聚氨酯、混凝土彈性模量的相對(duì)大小,決定了它們對(duì)結(jié)構(gòu)施工變形的影響程度。因此,對(duì)于氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),選用更高彈性模量的膜材及更高早期強(qiáng)度的噴射混凝土能有效減小施工變形。
混凝土噴射方案是影響結(jié)構(gòu)施工變形的重要因素。針對(duì)曲壁段首層混凝土噴射時(shí)引起較大局部變形,有2種噴射方案的優(yōu)化思路:減小曲壁段首層構(gòu)造層混凝土的噴射厚度,縮小曲壁段首層構(gòu)造層混凝土的每次噴射范圍。
以59~63段為例對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化說(shuō)明。原噴射方案中構(gòu)造層分6次噴射完成,其中首層混凝土厚6mm;調(diào)整后的方案中首層構(gòu)造層厚5mm,且分為59~60,61~63段2次完成,同時(shí)為保證構(gòu)造層總厚度不變,對(duì)后續(xù)施工步進(jìn)行調(diào)整。以同樣的思路對(duì)其他弧段的噴射方案進(jìn)行優(yōu)化。
方案優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)變形如圖12所示。由圖12可知,方案優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)豎向和水平位移均有明顯減小。其中,最大豎向沉降由原來(lái)的363mm減小為327mm,減小9.9%;最大水平內(nèi)凹由原來(lái)的133mm減小為101mm,減小24.1%。說(shuō)明本節(jié)優(yōu)化方法對(duì)控制施工變形有效。
圖12 方案優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)變形
通過(guò)對(duì)大海則儲(chǔ)煤倉(cāng)混凝土噴射施工過(guò)程進(jìn)行有限元模擬,得出以下結(jié)論。
1)結(jié)合分層殼單元的多步驟非線性階段施工有限元方法,能同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)荷載、混凝土齡期和結(jié)構(gòu)形式隨施工進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程有限元模擬,解決了該新型施工技術(shù)在理論分析方法上的難點(diǎn),推動(dòng)了氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。
2)氣膜鋼筋混凝土殼的施工變形可分為整體下沉、下部結(jié)構(gòu)下沉的同時(shí)上部結(jié)構(gòu)抬升、再次整體下沉3個(gè)階段。
3)上部荷載持續(xù)施加引起結(jié)構(gòu)起坡處(31.500m標(biāo)高)的外鼓變形;曲壁段首層構(gòu)造層的噴射引起曲壁段5處局部?jī)?nèi)凹變形,分別在47.100,54.100,57.800,59.300,61.500m標(biāo)高處。
4)混凝土噴射施工引起結(jié)構(gòu)最大位移在跨度的1%以內(nèi),氣膜模板未發(fā)生反拱屈曲;膜材應(yīng)力下降值在其初始應(yīng)力的25%以內(nèi),能保障膜面張拉狀態(tài)。
5)材料彈性模量和混凝土噴射方案是影響施工變形的重要因素。在施工技術(shù)允許范圍內(nèi),通過(guò)減小首層構(gòu)造層混凝土的噴射厚度和每次噴射范圍,能有效減小施工變形;為實(shí)際工程的材料選型和混凝土噴射方案的制訂提供理論指導(dǎo)。