32 m 大直徑群倉倉頂施工支撐體系設(shè)計研究

崔邯龍 ， 郭建行 ， 索曉峰 ， 胡旭光 ， 謝正權(quán)

（1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河北 邯鄲056038； 2.中國建筑第八工程局華北公司， 天津300450；3.遼寧金煜建設(shè)工程有限公司， 遼寧 大連116407）

0 引言

大直徑筒倉具有倉容大、 占地面積小及受力性能好等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于糧食、 煤炭、 鋼鐵等行業(yè)物資儲存［1］。 我國糧食產(chǎn)量逐年增加， 所需糧倉倉容需求也相應(yīng)提高， 但目前我國近1／3的糧倉是在21 世紀(jì)初建設(shè)的， 倉房建設(shè)時間長，倉容嚴(yán)重不足， 保管費(fèi)用不斷增加等一系列問題都迫切需求新的糧倉建設(shè)［2-3］。

傳統(tǒng)大直徑筒倉倉頂施工需搭設(shè)滿堂架， 存在費(fèi)用較高、 工期長等缺點(diǎn)， 逐漸被中心井架或格構(gòu)柱結(jié)合輻射梁桁架取代， 相較于滿堂腳手架，提高了安全性和經(jīng)濟(jì)性， 但平臺通用性不高且搭設(shè)中心井架或格構(gòu)柱花費(fèi)時間仍相對較長［4-6］。 為節(jié)約施工工期， 部分工程采用滑模拖帶技術(shù)， 采用該種方法， 可以節(jié)省倉頂支撐平臺的搭設(shè)時間，但相對增加了滑模施工過程中的荷載， 造成浪費(fèi)，增加施工成本［7］。 李勤山等人結(jié)合試驗研究了新型旋轉(zhuǎn)盤口式桁架的承載能力， 總結(jié)了該桁架變形的規(guī)律， 該平臺安拆便捷， 但當(dāng)筒倉直徑較大時， 倉頂施工時跨中撓度較大［8-10］。 孟文清等設(shè)計了兩種新型模塊化鋼桁架平臺， 有效解決了傳統(tǒng)剛性滑模平臺通用性低等問題［11-12］。 通過以往研究可知新建筒倉所需倉容越來越大， 倉頂直徑隨之增加， 對倉頂施工的便捷性， 安全性要求越來越高， 同時如何設(shè)計通用性強(qiáng)， 可適用于不同直徑筒倉倉頂施工平臺也成為一個重要研究方向。

本文以秦皇島某糧倉項目為研究對象， 提出了一種貝雷架結(jié)合中心立柱作為倉頂施工支撐體系， 因為貝雷片為工具式承重構(gòu)件， 組裝便捷［13］，同時通過調(diào)節(jié)貝雷片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和不同長度的非標(biāo)節(jié)，可使該體系適用于不同直徑的筒倉倉頂施工， 具有通用性強(qiáng)、 周轉(zhuǎn)率高、 綜合成本低的特點(diǎn)。 通過有限元分析， 驗證了貝雷架鋼平臺在32 m 大直徑筒倉倉頂施工中應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

本項目位于河北省秦皇島市海港區(qū)， 新建20座大直徑儲糧筒倉， 施工時四個筒倉為一組， 一組中相鄰的兩個筒倉同時滑模施工。 其中， 大直徑筒倉為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 倉容量25 萬噸， 直徑32 m， 地上2 層， 筒倉壁厚300 mm， 建筑總高度為28.4 m。 倉頂為錐殼式結(jié)構(gòu)， 錐殼與水平面夾角26 °， 厚度為200 mm， 倉頂混凝土強(qiáng)度等級為C35， 上環(huán)梁截面尺寸為500 mm×900 mm， 下環(huán)梁截面尺寸為500 mm×1200 mm。

2 倉頂結(jié)構(gòu)施工方案比選

2.1 傳統(tǒng)滿堂腳手架支撐方案及特點(diǎn)

該方案為在倉底搭設(shè)滿堂腳手架作為倉頂?shù)闹误w系， 頂部立桿支撐底模木方將施工荷載傳至底部， 具有操作簡單、 通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 但滿堂支撐體系整體穩(wěn)定性不夠良好， 危險性高， 且搭設(shè)滿堂腳手架所需的鋼管、 扣件較多， 所需工期較長， 施工成本高， 目前已很少采用。

2.2 傘狀懸空滑模剛性平臺支撐方案及特點(diǎn)

傘狀懸空滑模剛性平臺支撐整體呈傘狀， 中心部位是中心鼓圈， 外圍是輻射梁， 桁架一端支撐在倉壁剛牛腿上， 一端與中心鼓圈相連， 如圖1所示。 平臺的拼裝在漏斗上完成， 通過電動倒鏈將平臺提升至預(yù)定標(biāo)高， 然后再平臺上搭設(shè)腳手架完成倉頂施工。 該方案組裝拆除較方便， 但是在錐殼施工過程中要分多次澆筑， 施工工藝繁瑣，耗費(fèi)工期較長。

圖1 傘狀懸空滑模剛性平臺支撐方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rigid platform support scheme for an umbrella-shaped overhanging slipform

2.3 斜梁式支撐平臺方案及特點(diǎn)

斜梁式支撐平臺主要由外圓主懸挑桁架和內(nèi)圈圓鋼桁架兩部分組成， 外圓主懸挑結(jié)構(gòu)外徑32 m，內(nèi)圓桁架直徑10.6 m。 外圈主桁架由24 榀組成， 內(nèi)圈由圓形桁架＋槽鋼連梁組成， 如圖2所示。 桁架在漏斗上拼裝完成， 與滑模提升架通過措施埋件相連， 隨滑模同步提升。 該方案不需要在桁架平臺再搭設(shè)腳手架， 但是平臺跨度大，跨中撓度較大， 多通過焊接連接， 平臺通用性較差。

圖2 斜梁式支撐平臺方案Fig.2 Inclined beam support platform solution

圖3 貝雷架鋼平臺方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of the steel platform solution for the beryl frame

2.4 貝雷架鋼平臺＋中心立柱支撐體系方案及特點(diǎn)

具有拼裝便捷， 運(yùn)輸方便， 結(jié)構(gòu)簡單、 適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 貝雷架之間由銷子連接組裝而成。貝雷架鋼平臺＋中心立柱支撐體系在滑模結(jié)束后在倉頂安裝貝雷架， 鋼平臺端部放置在倉壁預(yù)留洞口處， 中心側(cè)通過環(huán)形托盤與中心立柱相連， 在鋼平臺上搭設(shè)支撐倉頂結(jié)構(gòu)腳手架。 該方案貝雷架傳力路徑明確， 施工安全， 周轉(zhuǎn)率高， 施工成本低， 平臺通用性強(qiáng)， 可適用于不同直徑的筒倉倉頂施工。

2.5 對比結(jié)果分析

傳統(tǒng)滿堂腳手架支撐方案鋼管用量大， 工期較長， 故不考慮此種施工方案。 其他3 種倉頂施工支撐平臺的方案各有優(yōu)缺點(diǎn)， 32 m 直徑筒倉倉頂三種施工方案的各方面性能對比見表1。

表1 方案對比Table 1 Comparison of options

從圖中數(shù)據(jù)可以看出， 貝雷架鋼桁架整體變形最小， 對上部混凝土澆筑影響最小。 該平臺雖然用鋼量最多， 但貝雷架為工具式承重構(gòu)件， 采購方便， 周轉(zhuǎn)率高， 通用性強(qiáng)， 每次周轉(zhuǎn)時間相較于其他兩種平臺分別節(jié)省25 天和2 天， 且貝雷架安拆都較為方便， 可節(jié)約人工成本。

綜合成本考慮， 選用貝雷架式鋼平臺相較于傘狀懸空滑模剛性平臺節(jié)約成本432 萬元， 節(jié)省約一半工期， 相較于斜梁式支撐平臺節(jié)約成本202萬元， 提高施工效率約21%。 因此， 采用貝雷架結(jié)合中心立柱支撐體系相較于其他兩種支撐平臺在成本、 工期、 周轉(zhuǎn)效率等各方面均有較大優(yōu)勢。綜上所述， 貝雷架式鋼平臺為最優(yōu)方案。

3 貝雷架鋼平臺＋中心立柱支撐體系設(shè)計

貝雷架中心立柱組合鋼平臺由貝雷式桁架、環(huán)梁、 中心立柱以及環(huán)向支撐等組成， 鋼平臺主要桿件截面參數(shù)見表2， 鋼平臺組成截面示意圖如圖4 所示。

表2 貝雷架鋼平臺主要桿件截面參數(shù)Table 2 Cross-sectional parameters of the main bars of the steel platform of the beryl frame

圖4 貝雷架鋼平臺＋中心立柱截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of the section of the steel platform and central column of the beryl frame

圖6 環(huán)梁與牛腿連接示意圖Fig.6 Diagram of the connection between the ring beam and the bull leg

3.1 鋼桁架

鋼桁架共40 榀， 沿環(huán)向每9 °布置一榀， 桁架由貝雷架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成， 貝雷架通用尺寸3.0 m×1.5 m， 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)1.0 m×1.5 m。 貝雷片兩端有陰陽頭， 通過銷軸連接， 桁架外側(cè)通過預(yù)留洞口與筒倉相連， 中心通過銷軸與環(huán)梁相連，面對不同直徑的筒倉時， 可以通過調(diào)節(jié)徑向貝雷片的數(shù)量及非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的尺寸來滿足施工需求。

3.2 中心立柱

中心立柱選用φ800×16 鋼管， 每3 m 一節(jié)通過螺栓連接， 中心立柱放置于下部底板上， 為加強(qiáng)支撐體系的穩(wěn)定性， 中心立柱底部設(shè)置兩個方向均長3.2 m H 型鋼成十字形與中心立柱連接， H型鋼與結(jié)構(gòu)板漏斗處埋件進(jìn)行焊接， 同時在H 型鋼上設(shè)置四根鋼管支撐加固體系， 以確保平臺結(jié)構(gòu)安全， 支撐加固體系立于底板上。

3.3 環(huán)梁

為便于鋼桁架與中心立柱連接， 在中心立柱頂端設(shè)置八個鋼牛腿及箱型環(huán)梁， 環(huán)梁采用箱型截面， 為便于運(yùn)輸與安裝， 由兩段拼接而成， 采用M20 高強(qiáng)螺栓連接， 環(huán)梁高度230 mm， 直徑2.45 m。 中心立柱頂部設(shè)置鋼牛腿， 牛腿與中心立柱采用M20 螺栓連接， 環(huán)梁通過螺栓與牛腿連接， 貝雷架通過銷軸與環(huán)梁連接。

4 鋼桁架＋中心立柱支撐體系有限元分析

4.1 荷載統(tǒng)計

荷載主要為筒倉倉頂結(jié)構(gòu)施工荷載， 倉頂結(jié)構(gòu)施工示意圖如圖7 所示， 根據(jù)JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》 等規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對倉頂結(jié)構(gòu)施工過程荷載進(jìn)行統(tǒng)計。

圖7 倉頂結(jié)構(gòu)施工示意Fig.7 Illustration of the construction of the silo roof structure

圖8 應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud diagram

圖9 豎向位移云圖Fig.9 Vertical displacement cloud

倉頂結(jié)構(gòu)施工過程恒載包括鋼平臺自重、 跳板、 木方、 腳手架及其模板體系自重， 還包括上部混凝土結(jié)構(gòu)的自重， 經(jīng)統(tǒng)計恒載取值為6.3 kN／m2（不包含平臺自重， 平臺自重由軟件自動計算）， 活載參照規(guī)范取2.0 kN／m2。 按照現(xiàn)場實際施工情況， 工況為倉頂錐殼一次澆筑完成。操作平臺上布置700 mm×800 mm 的滿堂腳手架，立桿所在位置即鋼平臺外荷載的作用點(diǎn)， 且為符合實際工程狀況， 環(huán)形鋼平臺外側(cè)面積大于內(nèi)側(cè)，按從屬面積分配荷載。

4.2 鋼桁架有限元分析

4.2.1 有限元模型建立

運(yùn)用有限元軟件Midas Gen 建立施工操作平臺的有限元模型。 鋼平臺上下弦桿及腹桿、 環(huán)梁、牛腿及基座鋼材為Q345B， 中心立柱及環(huán)向槽鋼為Q235B， 彈性模量E 取2.06×105N／mm2， 泊松比取0.3。 貝雷片的上弦桿、 下弦桿以及腹桿采用梁單元模擬， 腹桿與上下弦桿之間采用剛接， 貝雷片之間采用銷軸連接故定義為鉸接， 鋼桁架與倉壁連接點(diǎn)只約束豎向及切向位移， 纜風(fēng)繩選取只受拉單元模擬。 計算按照GB 50017-2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 受壓構(gòu)件長細(xì)比取控制值為150， 鋼平臺變形控制值取L／400。

4.2.2 有限元分析結(jié)果

經(jīng)有限元分析結(jié)果可知， 貝雷架鋼平臺在最不利組合工況下最大應(yīng)力值為276.4 MPa， 最大豎向位移為23.5 mm， 結(jié)構(gòu)應(yīng)力值及最大豎向變形值均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

5 模塊化設(shè)計

貝雷片之間通過銷軸連接， 具有組裝拆卸便捷， 適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 該平臺通用性強(qiáng)， 通過調(diào)節(jié)貝雷片片數(shù)及非標(biāo)節(jié)尺寸， 可以很好的適用于不同直徑筒倉， 解決了常規(guī)平臺閑置的問題， 通過統(tǒng)計以往實際工程， 常見筒倉直徑一般為36 m，34 m， 30 m， 26 m， 因為桁架平臺對稱布置， 模塊化平臺體系（半跨） 組合表見表3。

表3 常見直徑筒倉組合形式表Table 3 Table of common diameter silo combinations

表中桁架徑向長度略大于筒倉半徑， 這是由于鋼平臺兩端需要一定的搭接長度， 通過表中數(shù)據(jù)可知， 平臺通過調(diào)節(jié)貝雷片個數(shù)與非標(biāo)節(jié)長度便可適用于不同直徑筒倉倉頂施工， 通用性較強(qiáng)，但由于筒倉直徑不同、 倉頂結(jié)構(gòu)形式及平臺搭設(shè)腳手架布置的不同上部產(chǎn)生的荷載不同， 此處僅討論平臺在不同直徑應(yīng)用的可行性， 具體產(chǎn)生的撓度及應(yīng)力等需要根據(jù)實際工程具體分析。 本平臺已成功應(yīng)用于26 m、 28 m、 30 m、 32 m 等不同直徑筒倉施工， 目前應(yīng)用效果較好。

6 結(jié)論

（1） 利用有限元軟件midas gen 對貝雷架鋼平臺＋中心立柱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗算， 相比較將貝雷架鋼平臺與中心立柱分開驗算， 整體驗算結(jié)果更加符合實際工程情況。 計算結(jié)果表明該平臺在承受上部施工荷載時產(chǎn)生的撓度較小， 可以很好的保證倉頂?shù)钠秸取?/p>

（2） 貝雷架結(jié)合中心立柱平臺組成簡單， 具有較強(qiáng)承載能力， 解決了傳統(tǒng)施工時需要搭設(shè)中心腳手架時間長的難題， 并且該平臺可以滿足筒倉錐殼與倉頂環(huán)梁一次性澆筑， 縮短了施工工期，提高了平臺周轉(zhuǎn)效率， 節(jié)約成本。

（3） 該平臺本身具有模塊化特性， 且組裝拆卸簡單， 可以很好的適應(yīng)不同直徑筒倉施工， 增強(qiáng)了平臺的通用性， 解決了平臺閑置的問題。

（5） 結(jié)合本工程實際應(yīng)用可知， 相較于傘狀懸空滑模剛性平臺及斜梁式支撐平臺， 采用貝雷架結(jié)合中心立柱鋼桁架平臺至少可提高施工效率20%， 節(jié)約施工成本200 余萬元， 在實際工程應(yīng)用中， 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。