筒倉模塊化穹頂式滑模剛性平臺單榀足尺試驗研究

孟文清，白 松，張亞鵬，崔邯龍，倪時華

(1.河北工程大學 土木工程學院，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.中煤建安公司七十三工程處，河北 邯鄲 056106)

隨著煤炭行業(yè)的飛速發(fā)展，煤礦筒倉的直徑越來越大，其施工難度也不斷增大，尤其在倉頂結(jié)構(gòu)施工時，對滑模剛性平臺承載能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的搭設滿堂腳手架的施工方法[1-3]隨著筒倉高度及直徑的增大，出現(xiàn)安全系數(shù)低、工期長、成本高等問題；柔性平臺具有重量輕，提升動力小、成本低等特點[4，5]，但其僅可滿足20m左右直徑筒倉施工要求；利用輻射梁剛性平臺[6-9]、鋼桁架式操作平臺[10-12]作為支撐體系，只適用于30m直徑以下的筒倉倉頂結(jié)構(gòu)施工，在大直徑筒倉倉頂施工時上部需設置拉索，下部設置中心井架來提高承載能力，產(chǎn)生了多次澆筑、工期長、成本高等問題。筒倉滑模剛性平臺模塊化的創(chuàng)新性發(fā)展，解決了傳統(tǒng)滑模剛性平臺通用性低以及浪費的問題，但模塊化剛性平臺的承載能力還有待進一步研究；空間管桁架結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，空間利用率高，在大跨度結(jié)構(gòu)中作為受力構(gòu)件應用廣泛[15-19]，但目前，針對空間管桁架在大直徑筒倉滑模施工平臺中的研究較少。針對上述問題，本文研究一種模塊化穹頂式滑模剛性平臺，通過對其一榀空間管桁架進行足尺試驗及有限元分析，研究這種結(jié)構(gòu)的受力性能。

1 模塊化穹頂式滑模剛性平臺結(jié)構(gòu)

筒倉模塊化穹頂式滑模剛性平臺可有效利用空間結(jié)構(gòu)體系，既解決了有中心架的大直徑筒倉剛性平臺施工工期長、工序復雜的問題，又改善了無中心架的大直徑筒倉剛性平臺施工耗鋼量高、變形大的情況。穹頂式的結(jié)構(gòu)體系受力合理，各個桿件充分發(fā)揮作用，模塊化的設計能夠滿足不同直徑筒倉的施工，避免了平臺的閑置與浪費。

本模塊化穹頂式滑模剛性平臺由八榀空間管桁架、中心環(huán)、環(huán)向支撐與拉桿組合而成，結(jié)構(gòu)高約8.5m，跨度為36m，構(gòu)件采用Q345鋼材[20]。模塊化穹頂式滑模剛性平臺整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 模塊化穹頂式滑模剛性平臺整體結(jié)構(gòu)形式(mm)

2 試驗方案

試驗旨在研究單榀空間管桁架承載能力與破壞特征，為驗證模塊化穹頂式滑模剛性平臺在施工過程中承載能力要求提供數(shù)據(jù)支撐；通過單榀空間管桁架有限元計算與試驗數(shù)據(jù)對比，探究結(jié)構(gòu)在既定約束條件下，有限元計算模型參數(shù)設計的合理性；并根據(jù)單榀空間管桁架有限元計算模型參數(shù)設定，確立整體穹頂平臺有限元計算模型，分析得到整個穹頂平臺的力學性能指標。

2.1 單榀空間管桁架試件設計

2.1.1 架體設計

考慮環(huán)撐與中心環(huán)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力中的重要作用，本次取一榀空間管桁架及相連的環(huán)撐與中心環(huán)結(jié)構(gòu)作為研究對象。單榀空間管桁架跨度為15m，高8.5m。根據(jù)倉頂錐殼結(jié)構(gòu)與倉頂梁板結(jié)構(gòu)在剛性平臺上投影位置不同，將空間管桁架分兩個區(qū)段，一為中心區(qū)段，二為分叉區(qū)段。根據(jù)原結(jié)構(gòu)在倉頂錐殼結(jié)構(gòu)荷載作用下位移情況，對單榀空間管桁架擬定邊界條件并進行單榀空間管桁架結(jié)構(gòu)設計，桿件截面型號主要采用?180mm×10mm、?159mm×8mm、?159mm×6mm、?140mm×4.5mm、?108×6mm、?83mm×8mm、?76mm×4mm、?60mm×3.5mm。

2.1.2 支座處理

對各處支座約束進行處理：①底部設置板式支座，底部支座與圍檁連接，形成徑向滑動鉸支座約束；②環(huán)撐與兩側(cè)構(gòu)筑物焊接連接，形成固定鉸支座約束；①中心環(huán)端部與豎向反力架焊接，形成固定鉸支座約束。

2.2 加載裝置及加載制度

2.2.1 試驗荷載

以36m直徑筒倉為施工背景，錐殼厚度為500mm，錐殼傾斜角為55°，上環(huán)梁直徑為21.8m，上環(huán)梁截面尺寸為0.9m×2m；倉頂錐殼工況中永久荷載取值為：①平臺鋪板及檁條荷載取0.35kN/m2；②模板體系荷載取0.5kN/m2；③腳手架荷載0.5kN/m2；④鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)荷載取27kN/m3；施工活荷載取值為1.0kN/m2。恒荷載分項系數(shù)為1.3，活荷載分項系數(shù)為1.5。

本次試驗通過倉頂錐殼結(jié)構(gòu)施工設計荷載在各區(qū)段的面荷載轉(zhuǎn)化為點荷載進行加載，分叉區(qū)段面荷載設計值為33.8kN/m2，中心區(qū)段面荷載設計值為1.755kN/m2。

2.2.2 試驗加載裝置

設計了一種結(jié)合試驗臺座、反力墻、反力架為一體的加載裝置—反力梁支撐體系。其傳力裝置具有足夠的剛度、承載力和整體穩(wěn)定性。加載器裝置采用千斤頂或倒鏈加載，一個千斤頂通過平衡梁對兩個加載點進行加載。

2.2.3 加載制度

試驗每級加載20%設計荷載，靜置30min后讀數(shù)并繼續(xù)進行加載，加載至第五級后減小級差進行加載，每級加載10%設計荷載?？紤]到原荷載較大以及加載設備能力情況，本次試驗加載至第十級，以驗證桁架的承載能力。試驗每級加載設計荷載百分比為：第一級20%，第二級40%，第三級60%，第四級80%，第五級100%，第六級110%，第七級120%，第八級130%，第九級140%，第十級150%。

2.3 量測內(nèi)容和測點布置

結(jié)合SAP2000、STCAD有限元軟件的計算結(jié)果，提出量測方案。根據(jù)最大荷載作用下應力分布趨勢，在應力較大桿件及復雜節(jié)點處桿件布置5個應力測區(qū)，同時進行對照組應力測點布置，共計9個應力測區(qū)。其中分叉點2下弦節(jié)點應變測區(qū)編號為J4，上弦節(jié)點應變測區(qū)編號為J5，拉桿應變測點編號為ZL1、ZL2，應變測點布置如圖2(a)所示；應變觀測選用應變片連接靜態(tài)應變儀進行觀測。為監(jiān)測單榀空間管桁架各區(qū)段跨中位移、復雜節(jié)點位移及結(jié)構(gòu)最大位移點，共計布置17個位移監(jiān)測區(qū)。位移測區(qū)布置如圖2(b)所示；位移觀測采用電子位移計觀測。

圖2 量測方案

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

試驗初始階段結(jié)構(gòu)支座約束良好，單榀空間管桁架各部位正常工作，應力、位移呈線性增長。在加載至第五級荷載過程中，試驗對象處于彈性階段且荷載傳遞良好。在進行荷載最后一級加載過程中，加載裝置出現(xiàn)故障，但結(jié)構(gòu)各典型部位無屈曲、位移等現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)加載至第十級時，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)屈曲破壞，試驗結(jié)束。

3.2 應力變化

單榀空間管桁架應力情況呈線性增長。單榀空間管桁架下弦應力監(jiān)測區(qū)J4應力-荷載曲線如圖3(a)所示，上弦應力監(jiān)測區(qū)J5應力-荷載曲線如圖3(b)所示，拉桿ZL1、ZL2應力-荷載曲線如圖3(c)所示。加載過程中應變監(jiān)測點J4G1出現(xiàn)故障，失去參考意義。

管桁架下弦在加載至第九級過程中應力呈線性增長，第九級荷載下測得管桁架下弦應變監(jiān)測點J4G2、J4G3拉應力值達到峰值，監(jiān)測點J4G2拉應力值達到322MPa，監(jiān)測點J4G3拉應力值為265MPa，監(jiān)測點J4G2應力超過桿件容許應力值，但是應力依舊呈線性增長，表明材料性能良好，結(jié)構(gòu)工作性能良好。

管桁架上弦應力值基本呈線性增長，在加載至第五級荷載后應力出現(xiàn)一次應力重分布變化，之后依舊呈線性增長；在加載至第十級時上弦桿件監(jiān)測點J5G1、J5G2、J5G3壓應力達到最大值，J5G1壓應力值為-158.4MPa，J5G2為-115.5MPa，J5G3為-181.4MPa，均在桿件設計強度范圍內(nèi)。

拉桿外側(cè)應力較大，拉桿各應力監(jiān)測點應力基本呈線性增長，由圖3(c)可知，在加載至第四級荷載后，拉桿定位梁出現(xiàn)相對滑移現(xiàn)象，使得拉桿應力同比增大；第九級荷載下拉桿最大拉應力為423MPa，可見桿件性能良好；在加載至第十級過程中，加載裝置出現(xiàn)故障，導致單榀空間管桁架應力出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象。

圖3 應力-荷載曲線

3.3 位移變化

為體現(xiàn)架體豎向位移特征，根據(jù)位移測點布置圖2(a)，選取中心區(qū)段2、3、4豎向測點，分叉區(qū)段選取6、8、10、11豎向測點進行豎向位移特征分析，經(jīng)初步觀察數(shù)據(jù)可知測點1-S無明顯位移產(chǎn)生，故不進行分析。架體豎向位移-荷載曲線如圖4所示。根據(jù)量測方案，取12、15號監(jiān)測點分析支座位移情況，12、15號徑向與環(huán)向監(jiān)測點各加載級位移情況如圖5所示。

圖4 架體豎向位移-荷載曲線

圖5 支座位移-荷載曲線

由圖4可知，隨著荷載增加，各監(jiān)測點位移逐漸增大；分叉點2處8-S測點為位移最大測點，該測點位于單榀空間管桁架跨中位置，且該處承擔荷載較大，第五級荷載下8-S位移值為59.4mm，小于撓度容許值67.4mm，滿足規(guī)范要求；加載至第十級荷載時，8-S最大豎向位移值為104.72mm，結(jié)構(gòu)未破壞。10-S與11-S為同側(cè)對稱測點，數(shù)據(jù)顯示兩測點位移值相近，單榀空間管桁架同側(cè)分叉受力合理。

加載至第十級時，底部支座各監(jiān)測點位移達到最大點，支座12、15號監(jiān)測點最大徑向位移分別為17.31mm、16.65mm，最大環(huán)向位移為-2.43mm、8.45mm(環(huán)向位移以逆時針為正)；由圖5中15-H數(shù)據(jù)曲線可見，15號監(jiān)測點對應支座環(huán)向約束未達到理想狀態(tài)，出現(xiàn)較大的環(huán)向位移，實際工程中應注意支座的約束情況，提高結(jié)構(gòu)安全性。

3.4 有限元計算結(jié)果與對比分析

3.4.1 整體結(jié)構(gòu)簡化

圖6 應力分布(MPa)

采用通用有限元計算程序SAP2000，對結(jié)構(gòu)體系進行分析。計算單元采用桿單元，材料為理想的彈塑性材料，同時考慮了材料的非線性和幾何非線性。為驗證單榀空間管桁架支座假定的有效性，對整體結(jié)構(gòu)與單榀結(jié)構(gòu)進行有限元分析對比，在錐殼工況荷載作用下，兩結(jié)構(gòu)有限元值對比見表1、圖6所示。由表1可知，整體結(jié)構(gòu)在中心區(qū)段比單榀結(jié)構(gòu)豎向位移值大，而在分叉區(qū)段兩者值較為接近，尤其在8-S測點處，兩者基本相同；兩結(jié)構(gòu)應力對比如圖6所示，兩結(jié)構(gòu)中心區(qū)段弦桿為受壓桿件，分叉區(qū)段上弦桿受壓，下弦桿受拉，分叉點2處應力較大；故在錐殼工況荷載下，單榀空間管桁架方案設計可以有效反映整體結(jié)構(gòu)受力與位移變化特征。

表1 結(jié)構(gòu)豎向位移值對比(mm)

圖7 有限元值與試驗應力對比

3.4.2 單榀空間管桁架結(jié)果對比

空間管桁架下弦J4監(jiān)測區(qū)與上弦J5監(jiān)測區(qū)有限元分析得到的應力-荷載曲線與試驗結(jié)果的比較如圖7(a)(b)所示，試驗數(shù)據(jù)較有限元分析值下弦應力增長情況，在相同荷載梯度下，應力增長較快，但依舊呈線性增長。由圖7(b)可見，在試驗過程中，上弦桿件測點的曲線與試驗結(jié)果吻合良好。由圖7(c)可見，在前四級加載過程中，拉桿應力試驗值與有限元值吻合良好；加載至第四級后，由于拉桿定位梁未能很好地固定拉桿，使得拉桿應力出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象。

如圖8(a)所示，通過有限元分析得到結(jié)構(gòu)架體豎向位移與試驗結(jié)果對比可知，各實測豎向位移均比有限元值大，最大豎向位移點8-S較有限元值明顯增大。支座徑向位移(12、15號徑向監(jiān)測點)與試驗結(jié)果的比較如圖8(b)所示，可見試驗過程中，由于支座的基座圍檁剛度較高，支座徑向位移稍小于有限元值，但差距不大。

圖8 有限元值與試驗位移對比

總體來看，結(jié)構(gòu)各部位正常工作，有限元分析計算的結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。但還存在一些不同，存在差異的原因主要是：

1)試驗中與環(huán)撐連接的鋼立柱剛度小，實際未達到理想的固定鉸支座約束狀態(tài)，且部分支座的環(huán)向約束未達到理想狀態(tài)，造成同級荷載下，豎向位移及下弦桿應力值試驗值比有限元值大。

2)有限元計算模型是理想化的，未考慮單榀空間管桁架拼裝與就位時出現(xiàn)的初始缺陷對結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

4 結(jié) 論

1)通過對結(jié)構(gòu)進行應力與位移監(jiān)控，結(jié)構(gòu)位移、應力試驗數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)基本吻合，證明足尺試驗較好地反映了單榀空間管桁架的力學性能，有限元計算模型參數(shù)假定與實際試驗對象相符，并且為模塊化穹頂式滑模剛性平臺有限元計算模型的建立提供借鑒意義。

2)試驗過程中雖然出現(xiàn)與環(huán)撐連接的鋼立柱剛度較小，支座約束未達到理想狀態(tài)等情況，但試驗加載至第五級時，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，加載至第十級時，結(jié)構(gòu)仍具有較高的承載能力，說明實際單榀空間管桁架在設計荷載作用下是安全可靠的；作為模塊化構(gòu)件重復使用，結(jié)構(gòu)體系具有較高的安全儲備性能。

3)根據(jù)試驗得到的有效數(shù)據(jù)，建議在實際工程中應對支座設置有效的約束，避免結(jié)構(gòu)受力方式發(fā)生改變，同時拉桿建議采用高強度材料，提高工程安全性。