吳靈宇，徐高翔，邱國志

1 前言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和對大型封閉儲料倉需求的日益增高，對建筑環(huán)保性、經(jīng)濟性的要求也越來越高。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土筒倉施工難度大，模板費用高，混凝土澆筑困難，需要大量人工，造價普遍較高[1]。而氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工采用充氣膜代替常規(guī)模板，混凝土采用噴射施工方法，可以節(jié)省模板材料，大幅度簡化施工工藝，有效減少人力物力的消耗[2-4]。氣膜結(jié)構(gòu)上部采用球形穹頂，與相同直徑和高度的傳統(tǒng)筒倉相比，氣膜結(jié)構(gòu)穹頂儲倉存儲量明顯增大，抗地震、抗颶風(fēng)能力強，堅固耐用。另外，氣膜混凝土筒倉密閉性好、防塵，節(jié)能環(huán)保，不會產(chǎn)生大量建筑垃圾，倉內(nèi)施工能有效控制污染，有利于在氣候條件復(fù)雜的地區(qū)使用。

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的主要流程包括：（1）基礎(chǔ)環(huán)梁施工；（2）鼓風(fēng)機吹膜成形；（3）膜內(nèi)依次噴涂界面劑及聚氨酯層；（4）分層綁扎鋼筋，噴射混凝土；（5）關(guān)閉充氣系統(tǒng)，切割洞口。具體而言，首先需要根據(jù)結(jié)構(gòu)外形裁剪、拼接出充氣膜，將膜材展平并固定于環(huán)形基礎(chǔ)上；然后將鼓風(fēng)機和噴射器械運入膜內(nèi)，用風(fēng)機將膜鼓吹成形；接著依次噴涂聚氨酯保溫層，分層噴射混凝土和綁扎鋼筋；最后切割洞口，完成整個殼體的施工。

圖1 φ60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)示意圖

2 項目概況

項目研發(fā)的直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，筒倉采用圓形穹頂結(jié)構(gòu)，下部是半徑30m、高17.6m的圓柱面，上部是半徑30m的半球面，總表面積為8 967m2，總體積為106 257m3，采用三條地溝卸料。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

3.1 設(shè)計參數(shù)

直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉使用階段的荷載主要包括：恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、溫度作用、料壓荷載。

（1）恒荷載

結(jié)構(gòu)恒荷載包括膜材、聚氨酯、鋼筋混凝土的自重，由于膜材和聚氨酯的剛度相對于混凝土結(jié)構(gòu)的剛度較小，在使用階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中，偏安全地忽略了膜材和聚氨酯剛度的貢獻，僅考慮施加在結(jié)構(gòu)上的自重荷載；另外考慮倉頂設(shè)備恒載50kN，施加在倉頂結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點處。

（2）活荷載

結(jié)構(gòu)活荷載考慮混凝土噴射不均勻?qū)е碌暮穸绕?，大小?.5kN/m2，考慮一種滿倉均布工況和四種半跨分布工況；另外考慮倉頂設(shè)備活荷載120kN，施加在倉頂結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點處。

（3）風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓0.6kN/m2，地面粗糙度類別為B類，用STCAD軟件按照旋轉(zhuǎn)殼體風(fēng)荷載體形系數(shù)將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成節(jié)點荷載的形式。

（4）溫度作用

溫度作用包括整體溫差及內(nèi)外溫差。由于聚氨酯的保溫作用，不考慮內(nèi)外溫差的影響，只考慮季節(jié)整體溫差，升溫溫差取30℃，降溫溫差取25℃。

（5）料壓荷載

料壓荷載考慮滿倉料壓荷載和偏心卸料荷載兩種工況（圖2），分別包括儲料對倉壁的水平側(cè)壓力和豎向摩擦力，滿倉料壓高度為46.6m，偏心卸料最不利料壓高度為31.6m。根據(jù)鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范GB 50077-2017，用STCAD軟件將儲料的水平力、豎向力分別轉(zhuǎn)換成節(jié)點荷載。

圖2 料壓示意圖

圖3 SAP2000計算模型

3.2 結(jié)構(gòu)建模與計算

采用SAP2000進行結(jié)構(gòu)建模分析（圖3）?？紤]殼體與環(huán)形支座現(xiàn)澆，支座采用彈簧支座，節(jié)點水平剛度K1、K2均為20 000kN/m，豎向剛度K3為無窮大，節(jié)點三個方向的轉(zhuǎn)動剛度均為10 000kN·m/m；單元采用SAP2000薄殼單元，根據(jù)卸料口位置進行殼體開洞，結(jié)構(gòu)不同高度處的殼體厚度如表1所示。

表1 殼體厚度

3.3 結(jié)構(gòu)受力分析

（1）恒荷載作用分析

圖4a、圖4b分別為結(jié)構(gòu)恒荷載作用下的環(huán)向軸力和徑向軸力。環(huán)向軸力呈現(xiàn)下部受壓（高度為0～15m）、中部受拉（高度為15～29m）、上部受壓（高度為29～47.6m）的分布規(guī)律；最大軸拉力出現(xiàn)在高度為19m處，大小為222.7kN/m；最大軸壓力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，大小為193.3kN/m。徑向軸力均為受壓，呈現(xiàn)自上而下逐漸增大的規(guī)律，最大軸力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，為1 144kN/m。在豎向?qū)ΨQ荷載作用下，薄殼結(jié)構(gòu)受力特點以薄膜內(nèi)力為主，所受彎矩和剪力很小。

（2）風(fēng)荷載作用分析

圖5a、圖5b分別為結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下的環(huán)向軸力和徑向軸力。環(huán)向軸力主要表現(xiàn)為迎風(fēng)面受壓，背風(fēng)面受拉的特點；最大環(huán)向軸壓力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面中部區(qū)域，大小為18.4kN/m；最大環(huán)向軸拉力出現(xiàn)在殼體頂部區(qū)域，大小為16.7kN/m。迎風(fēng)面和背風(fēng)面均受較為均勻的徑向軸拉力作用，但支座洞口處存在局部壓力和較大的拉力作用?？傮w而言，風(fēng)荷載對鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)的作用相比其他工況要小得多。

圖4 恒荷載作用下軸力云圖

圖5 風(fēng)荷載作用下軸力云圖

圖6 均勻溫升作用下軸力云圖

（3）溫度作用分析

溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響與殼體剛度、支座形式等因素有關(guān)。以均勻升溫工況為例，在均勻升溫作用下，結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生膨脹，而環(huán)形支座相當(dāng)于“箍”的作用，對結(jié)構(gòu)的環(huán)向膨脹變形產(chǎn)生約束，因而在結(jié)構(gòu)底部靠近支座處產(chǎn)生了較大的環(huán)向軸力和環(huán)向、徑向彎矩作用。圖6a、圖6b分別為結(jié)構(gòu)在溫升作用下環(huán)向、徑向軸力云圖。結(jié)構(gòu)環(huán)向均為受壓且壓力集中在支座及洞口上方區(qū)域，而上部結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力基本為0，最大軸壓力出現(xiàn)在洞口上方，為2 530kN/m。結(jié)構(gòu)徑向軸力基本為0，但是洞口處存在局部拉力，最大拉力為1 480kN/m。圖7a、圖7b分別為結(jié)構(gòu)在溫升作用下環(huán)向、徑向彎矩云圖。在洞口附近產(chǎn)生較大環(huán)向、徑向彎矩，最大環(huán)向彎矩為153.5kN·m/m，最大徑向彎矩為167.1kN·m/m。

圖7 均勻溫升作用下彎矩云圖

（4）滿倉料壓作用分析

圖8為在滿倉料壓荷載作用下結(jié)構(gòu)外表面環(huán)向應(yīng)力云圖，內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力云圖與之基本一致。在滿倉料壓荷載作用下，結(jié)構(gòu)環(huán)向受拉，整體呈現(xiàn)隨殼體高度上升環(huán)向拉應(yīng)力減小的趨勢，殼頂環(huán)向應(yīng)力基本為0；而在洞口上方區(qū)域環(huán)向拉應(yīng)力最大，為19.6MPa。

圖9a、圖9b分別為在滿倉料壓荷載作用下結(jié)構(gòu)外表面與內(nèi)表面的徑向應(yīng)力云圖。結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面徑向主要受拉，但支座上方區(qū)域有局部較大壓應(yīng)力（8.9MPa），洞口上方區(qū)域出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為6.5MPa。

（5）偏心卸料作用分析

圖10a、圖10b為在偏心卸料荷載作用下結(jié)構(gòu)環(huán)向、徑向軸力云圖。在偏心卸料荷載作用下結(jié)構(gòu)環(huán)向受拉，且拉力沿著料壓方向隨料壓高度的增大而增大；洞口上方出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大環(huán)向拉力為25.0kN/m。在偏心卸料荷載作用下，結(jié)構(gòu)徑向軸力沿著料壓方向發(fā)生變化，兩側(cè)呈受拉狀態(tài)，中間為受壓狀態(tài)；支座處有較大的局部壓力作用，為16.4kN/m。

圖8 滿倉料壓作用下結(jié)構(gòu)外表面環(huán)向應(yīng)力云圖

圖9 滿倉料壓作用下結(jié)構(gòu)外表面徑向應(yīng)力云圖

3.4 結(jié)構(gòu)變形分析

用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合對氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)進行靜力計算分析，得到幾組工況下結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移（表2）。計算結(jié)果顯示，偏心卸料荷載對筒倉的水平變形有顯著影響，結(jié)構(gòu)整體向最大料壓側(cè)移動，料壓側(cè)最大水平位移為75.0mm；而滿倉料壓作用下結(jié)構(gòu)變形相對較小，最大水平位移為9.0mm。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是，滿倉儲料的側(cè)壓力沿倉壁周圍對稱均勻分布，結(jié)構(gòu)整體起到類似“箍”的作用，形成較大剛度（圖11）；而偏心卸料荷載下水平壓力主要集中于一側(cè)，結(jié)構(gòu)剛度較差，故整體產(chǎn)生較大側(cè)向變形（圖12）。在均勻溫升作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的豎向位移，其中倉頂位移最大，為11.9mm；在均勻溫降作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的豎向位移，其中倉頂位移最大，為14.3mm。

圖10 偏心卸料作用下結(jié)構(gòu)軸力云圖

圖11“D+L_A+MP_A”工況下的結(jié)構(gòu)水平位移

圖12“D+L_A+MP_H”工況下的結(jié)構(gòu)水平位移

4 結(jié)構(gòu)配筋計算

通過單一工況下結(jié)構(gòu)受力分析可見，料壓作用對鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)影響較大，而風(fēng)載影響較小。依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB 50068-2018和鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范GB 50077-201確定組合分析工況，對幾種可能的控制工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行計算，表3列舉了結(jié)構(gòu)最大環(huán)向、徑向的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力。表3中D、L_A、MP_A、MP_H、Tup、Tdown分別為恒荷載、倉頂滿布活荷載、滿倉料壓作用、偏心卸料作用、均勻溫升、均勻溫降。

表2 幾種組合工況下的結(jié)構(gòu)變形

表3 幾種組合工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

幾種工況的應(yīng)力計算結(jié)果均表現(xiàn)出洞口上方區(qū)域應(yīng)力集中，而結(jié)構(gòu)上部區(qū)域應(yīng)力相對較小的特點。如“1.3D+1.5L_A+1.3MP_A+0.9Tdown”工況下洞口上方最大環(huán)向應(yīng)力為30.7MPa，而洞口上方以外區(qū)域，即結(jié)構(gòu)高度為8m以上區(qū)域環(huán)向應(yīng)力≯10MPa（圖13）。

圖13“1.3D+1.5L_A+1.3MP_A+0.9Tdown”工況下的環(huán)向應(yīng)力

結(jié)構(gòu)的配筋計算分為以下幾個步驟進行：首先用SAP2000三層板模型進行截面配筋計算，得到各分析工況下截面局部1軸、局部2軸的配筋率；其次通過不同工況配筋結(jié)果的對比，得到結(jié)構(gòu)不同高度處最小配筋率包絡(luò)值；最后將計算結(jié)果導(dǎo)入STCAD，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的配筋量計算。本文配筋方案有以下幾個優(yōu)點：（1）采用“三層板”配筋方法，可以考慮扭矩、彎矩和剪力的影響，相比規(guī)范中利用偏心受壓公式配筋更加準(zhǔn)確；（2）配筋結(jié)果利用不同組合工況的計算結(jié)果包絡(luò)值，保證配筋結(jié)果的安全性；（3）根據(jù)配筋計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行分區(qū)，按區(qū)域進行配筋，提高了鋼筋的利用率，避免采用同一配筋率導(dǎo)致鋼筋浪費。另外，因為結(jié)構(gòu)底部開洞處應(yīng)力集中，配筋量也遠(yuǎn)高于上部結(jié)構(gòu)，所以洞口上方1.5m高度范圍內(nèi)需進行局部加強，根據(jù)邊緣洞口應(yīng)力計算值進行補強鋼筋配筋計算，補強鋼筋沿殼邊緣形成暗梁。布筋方式為雙層雙向布置，最終配筋結(jié)果見表4。

表4 配筋方案

5 結(jié)語

本文簡要介紹了氣膜法施工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的新型施工技術(shù)，對直徑60m氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)進行建模和設(shè)計分析，對恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、溫度作用、滿倉料壓作用、偏心卸料作用等工況進行分析計算，采用“三層板”模型進行殼體配筋，得到以下結(jié)論：

（1）氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)筒倉結(jié)構(gòu)，大大簡化了施工，節(jié)省了人力、物力和財力，且結(jié)構(gòu)儲存空間大、封閉環(huán)保，是筒倉類結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

（2）在氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)正常使用階段的分析和設(shè)計中，可以偏安全地不考慮膜材與聚氨酯的剛度貢獻，僅考慮施加在結(jié)構(gòu)上的自重荷載，可按照傳統(tǒng)筒倉結(jié)構(gòu)進行儲料荷載及其他荷載的施加和計算。

（3）風(fēng)荷載對氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)作用較小，而滿倉料壓作用、偏心卸料作用影響較大，是結(jié)構(gòu)分析設(shè)計中應(yīng)重點控制的工況。

（4）偏心卸料作用會引起結(jié)構(gòu)較大水平變形，目前規(guī)范中尚無相關(guān)控制指標(biāo)，偏心卸料作用對筒倉結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的影響需進一步研究。

（5）采用“三層板”模型對氣膜鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)進行配筋計算，并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行分區(qū)配筋，并在洞口處用補強鋼筋加強，一定程度上提高了鋼筋利用率，降低了工程造價。