王振清，侯支龍，揣 君，張慶章

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州450001）

1 工程背景

地下糧倉（以下簡稱“地下倉”）與現(xiàn)行在役的地上糧倉相比具有低溫減損、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能節(jié)地等顯著優(yōu)勢[1]。大力發(fā)展地下倉，構(gòu)建低溫節(jié)能地下空間綠色儲糧新體系[2]符合國家“四節(jié)一環(huán)?！钡陌l(fā)展要求，也符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用地下倉是今后國家糧食行業(yè)發(fā)展的大趨勢。

依托國家“十一五”“十二五”科技支撐計劃項目、河南省杰出人才計劃項目等科研項目，河南工業(yè)大學(xué)地下倉課題組先后研發(fā)了多種適應(yīng)不同地質(zhì)條件的現(xiàn)代地下儲糧新倉型[3]，主要有矩形筒圍地下倉、圓筒或半圓筒圍地下倉、大直徑鋼筋混凝土地下倉、樁圍復(fù)合式鋼筋混凝土地下倉等新倉型，成果豐富。

地下倉屬于地下空間結(jié)構(gòu)，但與常見的隧道、地鐵車站、地下管道等不同，有著自身的特殊性。由于地下倉主要用于糧食儲藏和流通，而糧食是一種會呼吸的生命體，對防水、防潮的要求特別高、對進出糧工藝也有要求[2]。此外，大型地下倉埋深大，如果地下水位較高，則地下水對倉體的浮力較大，在空倉時最為不利，倉體需要具有足夠的抗浮能力，設(shè)計時需要考慮抗浮問題[4]。目前，大直徑鋼筋混凝土地下倉克服了早期地下倉受土質(zhì)和地形條件限制、倉容小、機械化程度低等缺點，被認(rèn)為是我國地下倉建設(shè)潛在的發(fā)展方向[3,5,6]，可能成為地下倉推廣應(yīng)用的主要倉型。然而，鋼筋混凝土地下倉也存在一些關(guān)鍵問題亟待解決，如施工工期長、造價高、防水性能差[7-8]，這些問題嚴(yán)重制約其今后的推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)一種施工快、成本低、防水好的新型地下倉十分迫切。本課題組在前期研究工作的基礎(chǔ)上提出將裝配式結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)相結(jié)合應(yīng)用于地下倉結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工過程中，并首次提出了一種裝配式鋼板-混凝土地下糧食筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，旨在克服現(xiàn)有鋼筋混凝土地下倉的缺陷，推動地下倉在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，構(gòu)建低溫節(jié)能地下空間綠色儲糧新體系。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 裝配式結(jié)構(gòu)簡介

裝配式結(jié)構(gòu)是指由預(yù)制構(gòu)件通過可靠的連接裝配而成的結(jié)構(gòu)，不同于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。在建筑工程中，裝配式結(jié)構(gòu)即為裝配式建筑。裝配式建筑具有工業(yè)化水平高、減少現(xiàn)場濕作業(yè)、減少建筑垃圾和污染等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)提高建筑質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低成本、節(jié)能減排。裝配式建筑在歐美、日本等國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果[9-10]。

2.2 組合結(jié)構(gòu)簡介

組合結(jié)構(gòu)[11]是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合成整體，共同受力、協(xié)調(diào)變形的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)類型較多，其中鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)較為常見。它能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)勢，承載力高、剛度和延性大、抗震性能好、施工方便，且造價相對較低，在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛。目前，組合結(jié)構(gòu)已大量應(yīng)用于大跨度橋梁和高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中[12-13]，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效應(yīng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)性工作，不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計本身，還影響著后續(xù)施工，是工程項目建設(shè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本課題組主要針對鋼筋混凝土地下倉存在的不足，在其基礎(chǔ)上首次提出了一種預(yù)制裝配式鋼板-混凝土地下糧食筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，創(chuàng)新性地將裝配式技術(shù)和組合結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用到該新型地下倉結(jié)構(gòu)設(shè)計中。如圖1、圖2所示，該倉由倉頂、倉底、內(nèi)筒、倉壁以及沿倉壁外圍分布的樁組成。其中倉頂采用組合結(jié)構(gòu)或現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒采用現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倉壁采用組合結(jié)構(gòu)，由鋼板-混凝土預(yù)制塊現(xiàn)場裝配成形，倉底采用組合結(jié)構(gòu)或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外圍樁采用工字型鋼樁。初步設(shè)計該倉直徑約25～30 m，埋深為20 m。

圖1 裝配式地下倉倉壁平面示意圖

圖2 裝配式地下倉剖面示意圖

節(jié)點是裝配式結(jié)構(gòu)的最薄弱的地方，節(jié)點連接是裝配式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。裝配式結(jié)構(gòu)連接的方式主要有鋼筋套筒灌漿連接和鋼筋漿錨搭接連接[14]。毫無疑問，對于本文提出的裝配式鋼板-混凝土地下倉，其節(jié)點連接也必然是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。由于該倉倉壁采用鋼板-混凝體組合結(jié)構(gòu)，倉壁預(yù)制塊之間存在豎向縫和水平縫，防水要求高，再加上地下施工，無論是采用鋼筋套筒灌漿連接，還是鋼筋漿錨搭接連接，都施工難度頗高，質(zhì)量難以控制。

為此，設(shè)計時支護樁采用工字鋼，倉壁預(yù)制塊采用鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)。這樣支護樁與倉壁預(yù)制塊之間就可以通過焊縫連接，連接問題迎刃而解。如圖3所示，倉壁預(yù)制塊左、右兩側(cè)與鋼樁通過焊縫連接，這樣倉壁預(yù)制塊相當(dāng)于懸掛在了鋼樁上，對施工定位的要求大大降低，其穩(wěn)定性能夠得到保證。兩個倉壁預(yù)制塊與支護樁共同圍成的豎向縫通過后澆筑混凝土填實，節(jié)點強度進一步增強。如圖4所示，倉壁預(yù)制塊水平縫采用焊縫連接，主要作用在于防水。通過這種連接處理，鋼樁與倉壁預(yù)制塊融為一體，共同組成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。顯然，一種不同于普通裝配式結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)體系由此產(chǎn)生。由于鋼板通過焊縫最終連接成一個整體，而混凝土由于豎向縫和水平縫的存在，之間的連接與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比并不緊密，故該新型結(jié)構(gòu)體系可視為帶壁柱的外包混凝土的組合結(jié)構(gòu)鋼板倉。

圖3 倉壁豎向連接示意圖

圖4 倉壁水平連接示意圖

目前，裝配式建筑雖然沒有普及，但是發(fā)展前景十分廣闊。另外，應(yīng)該注意到裝配式結(jié)構(gòu)在地下工程尤其是隧道和地鐵工程中的應(yīng)用十分普遍。比如，隧道襯砌一般采用預(yù)制的隧道管片現(xiàn)場拼裝而成，而采用現(xiàn)澆施工的卻很少見。由此可見，地下倉采用裝配式結(jié)構(gòu)可行性好。此外，地下倉受土壓力、水壓力、水浮力、糧食壓力、自重等多種作用，承載特性復(fù)雜[15]。采用組合結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮其剛度大、承載力高的優(yōu)勢，對提高地下倉結(jié)構(gòu)的可靠性是十分有利的。鋼板的防水性能良好[16-17]，如常見的鋼板水箱或油罐，相比卷材防水施工方便[18]。為了防止鋼板銹蝕，除了采用防銹鋼板外，還采用組合結(jié)構(gòu)。鋼板在內(nèi)、外包混凝土，對鋼板形成保護層。總之，裝配式鋼板-混凝土地下倉采用的技術(shù)較先進，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理。

4 方案對比分析

早期的地下倉由于自身局限性，不可能在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，不具備可比性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在此不再贅述。本文主要對裝配式鋼板-混凝土地下倉與鋼筋混凝土地下倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行對比分析。二者最大的區(qū)別在于倉壁設(shè)計和施工方面。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，地下倉施工的難點在倉壁。因為地下施工，一是受場地限制，二是受基坑支護限制，三是受基坑降水限制。倉頂和倉底施工基本上與地上施工一樣，在本文中不再展開論述。下文主要從施工的角度對裝配式鋼板-混凝土地下倉和鋼筋混凝體地下倉倉壁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行對比分析。

鋼筋混凝土地下倉倉壁現(xiàn)澆成形[3,6]，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要有足夠的工作面用于支模和搭腳手架，基坑開挖直徑在倉體直徑的基礎(chǔ)上需要進一步擴大，基坑開挖、回填的工程量加大，工期延長。現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)只能從下往上施工，無法采用逆作法施工，現(xiàn)澆倉壁無法作為基坑支護結(jié)構(gòu)，基坑支護需要另外采用措施。此外，隨著基坑開挖深度加上，基坑需要持續(xù)降水[6]?；娱_挖、回填、支護、降水費用占地下倉建造成本的比重相當(dāng)大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般采用卷材防水，施工工藝復(fù)雜，沿倉壁施工不方便，且卷材易老化，防水性能差，如采用卷材防水的鋼筋混凝土屋面，漏水是其質(zhì)量通病。地下倉采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)施工工期長、成本高、防水差問題幾乎是不可避免的。

裝配式鋼板-混凝土地下倉擬采用逆作法施工，主要施工過程如下：

1）打入外圍樁；

2）從上往下分段開挖倉體土、留出工作面后分段裝配倉壁；

3）倉底施工；

4）現(xiàn)澆或預(yù)制內(nèi)筒；

5）倉頂施工；

6）回填土，施工完畢。

裝配式鋼板-混凝土地下倉施工方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：1）鋼樁與鋼板-混凝土倉壁預(yù)制塊之間通過焊縫連接，二者融為一體，既是倉體結(jié)構(gòu)的一部分，又是基坑支護結(jié)構(gòu)，一體兩用。一方面解決了基坑支護難題，避免了基坑大開挖。由樁和倉壁共同支撐，將大大提高基坑支護的可靠性，也將極大地降低基坑工程的費用。另一方面巧妙地解決了裝配式結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵的節(jié)點連接難題，縮短工期。2）該倉的外圍樁既是支護樁，又是結(jié)構(gòu)樁，一樁兩用，為實現(xiàn)逆作法施工奠定基礎(chǔ)，同時對于倉體抗浮也十分有利。3）倉壁采用鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯鋼板不僅是結(jié)構(gòu)層，還兼做防水層，解決防水難題，一板兩用。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案綜合考慮了設(shè)計和施工的要求，充分利用裝配式結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)自身優(yōu)勢，并有效地解決了節(jié)點連接問題，從而使得一種施工速度快、建造成本低、防水性能好、可在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用的新型地下倉有望得到實現(xiàn)。

5 結(jié)論與展望

大直徑鋼筋混凝土地下倉施工工期長、成本高、防水差，是由其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案所決定的，也是在所難免的。本文首次提出的裝配式鋼板-混凝土地下倉結(jié)構(gòu)設(shè)計方案綜合考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的要求，有利于解決鋼筋混凝土地下倉存在的問題，技術(shù)先進，結(jié)構(gòu)可靠，施工方便。綜合考慮工期、成本和防水，裝配式鋼板-混凝土地下倉與大直徑鋼筋混凝土地下倉相比結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更優(yōu)。

裝配式鋼板-混凝土地下倉目前尚處于方案設(shè)計階段，對于這種新型的結(jié)構(gòu)體系，其計算模型和計算公式還沒有建立起來，理論研究方面基本上是一片空白。此外，相關(guān)的試驗研究沒有展開，預(yù)期的效果沒有得到驗證。通過今后進一步的理論研究和試驗研究，裝配式鋼板-混凝土地下倉有望成為最具發(fā)展?jié)摿Φ牡叵聜}倉型，有望在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，為構(gòu)建低溫節(jié)能地下空間綠色儲糧新體系奠定基礎(chǔ)。