唐志強(qiáng) 孟聞遠(yuǎn) 余監(jiān)華

1.漯河水利局 河南 平頂山 462300 2.華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450002

1 概述

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)是一種實(shí)際生活中用來(lái)儲(chǔ)存塊狀、散粒狀物品資源的地面建筑中比較常見(jiàn)的構(gòu)筑物，也是在我國(guó)的電力、農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)業(yè)、化工、物流等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的大型直立容器之一[1]。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)相比于其他大型廠(chǎng)房具有很多優(yōu)點(diǎn)：筒倉(cāng)貯存物品的容量大、自身的占地面積小，建造施工完成的速度較快；貯存物料便捷，筒倉(cāng)因其大空間的優(yōu)勢(shì)使得其內(nèi)部作業(yè)具有很高的機(jī)械化，筒倉(cāng)的后期使用和維護(hù)的所需費(fèi)用相對(duì)其他大型儲(chǔ)存類(lèi)建筑來(lái)說(shuō)相對(duì)比較低。

通過(guò)深入、廣泛地了解現(xiàn)有的筒倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂施工方法，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，本文自主設(shè)計(jì)了一種新型筒倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂施工組合式支撐體系。

2 施工支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

2.1 工程概況

本文所建模型是以某面粉有限公司生產(chǎn)基地淺圓倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂數(shù)據(jù)為例，本工程由8棟筒倉(cāng)組成，分列二排，每個(gè)儲(chǔ)糧單倉(cāng)倉(cāng)容為10000t。其直徑為25m，倉(cāng)體總高度為33.3m，裝糧高度為27.75m?；A(chǔ)為CFG樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)采用C30混凝土，基礎(chǔ)底設(shè)100mm的C15素混凝土墊層，采用復(fù)合地基處理方案。主體筒倉(cāng)施工時(shí)采用剛性平臺(tái)滑模施工，倉(cāng)壁厚度250mm，倉(cāng)頂蓋為現(xiàn)澆鋼筋混凝土錐頂，錐殼與倉(cāng)壁呈25度角度，錐殼垂直高度為4800mm。淺圓倉(cāng)的梁、柱、倉(cāng)壁、頂蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為 C30。下環(huán)梁底口標(biāo)高為27.75m，環(huán)梁截面尺寸為 500×750 (mm2)，倉(cāng)上錐殼壁厚為400mm，錐殼上環(huán)梁截面尺寸為 600×800 (mm2) ，錐殼上環(huán)梁頂標(biāo)高為33.3m。

2.2 內(nèi)部設(shè)計(jì)

本文的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)擁有著拱和桁架的共同優(yōu)勢(shì)，利用拱的幾何形式特性來(lái)實(shí)現(xiàn)彎矩向軸力的轉(zhuǎn)化，并通過(guò)格構(gòu)的方式將彎矩轉(zhuǎn)化為弦桿的軸力，使得整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)承載效率。

綜上所述該支撐結(jié)構(gòu)將有著自身重量輕、抗拉性能好、承載效率高、材料強(qiáng)度利用率高、造型美觀(guān)、施工安裝便捷等優(yōu)勢(shì)，因此可以用來(lái)解決筒倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工困難的問(wèn)題。

本文的徑向鋼桁架是由拱形桁架演變而來(lái)的，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)的理論，基于殼體力學(xué)性能設(shè)計(jì)了傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)傳力性能高效，對(duì)豎直荷載具有很強(qiáng)的承載能力，可以分擔(dān)每根支撐桿件的承載壓力，以此來(lái)充分利用桿件的承載性能。

針對(duì)淺圓倉(cāng)實(shí)際的工程概況，把傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的徑向鋼桁架設(shè)計(jì)為下弦桿采用尺寸80×80 (mm2)的矩形空心截面，其截面的厚度為5mm，為了適宜實(shí)際中淺圓倉(cāng)的錐殼建造，把徑向桁架與水平位置呈25°角斜向布置。

圖1 某一榀傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的徑向桁架實(shí)體模擬圖

傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通過(guò)工廠(chǎng)加工后，再運(yùn)輸?shù)酵矀}(cāng)的施工現(xiàn)場(chǎng)，然后施工人員進(jìn)行組裝后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝。該支撐結(jié)構(gòu)將采用分榀吊裝的方法，一邊與中心核心筒進(jìn)行螺栓連接，另一端與筒倉(cāng)倉(cāng)壁的預(yù)留件進(jìn)行固定，一共需要吊裝25榀。每榀徑向桁架之間用特殊的鋼管進(jìn)行螺栓對(duì)接，形成完整的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)。

2.3 與已有的支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)別

在目前的筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工工程中，存在著不同形式的模板支撐體系。為了突顯本文設(shè)計(jì)的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的優(yōu)越性，在相同筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工條件下，與已有的桁架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

從施工方面來(lái)看，與常規(guī)的型鋼框架結(jié)構(gòu)支撐體系、扣件式鋼管桁架與中心井架組合式支撐體系、中心井架環(huán)式輻射狀支撐體系等相比較，傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)因無(wú)需在高空再次搭設(shè)腳手架，在施工方面得到了簡(jiǎn)化，從而在施工造價(jià)和耗費(fèi)工期方面也降低了很多。

從結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面來(lái)看，已有的傘型無(wú)拱斜梁式支撐結(jié)構(gòu)，其各桿件無(wú)法協(xié)同工作，使得結(jié)構(gòu)的受力性能遠(yuǎn)未達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。本文基于拱形結(jié)構(gòu)，特別是殼體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)。使得該支撐結(jié)構(gòu)在力學(xué)的受力形式和性能方面得到了很大的改善。為了進(jìn)一步說(shuō)明內(nèi)部拱形構(gòu)造的特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)部有無(wú)拱形結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)理論上的對(duì)比，對(duì)兩者的上部施加相同的均布荷載的情況下，傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向均布荷載作用時(shí)，其兩側(cè)的支座將產(chǎn)生相應(yīng)的水平推力，利用其幾何特性可以將豎向荷載的作用轉(zhuǎn)化為軸向壓力，通過(guò)這種轉(zhuǎn)化可以顯著減小其中間部位的彎矩和剪力，但是無(wú)拱形斜梁式支撐結(jié)構(gòu)的上部桿件將承受完整的均布荷載作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力。從此可以體現(xiàn)傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1）在相同的工況下，兩種結(jié)構(gòu)在確保安全完成施工的前提下，傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)能夠充分利用材料的強(qiáng)度，因此可以憑借本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性使得施工工程造價(jià)進(jìn)一步的縮減，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）在相同的工況下，通過(guò)力學(xué)理論的分析可知兩種結(jié)構(gòu)在承受施工荷載后，傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大撓度較小。在筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工中，需要在支撐結(jié)構(gòu)的上部搭設(shè)現(xiàn)澆混凝土模板，傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中產(chǎn)生的小撓度變化可以更好的確保了錐殼倉(cāng)頂?shù)臐仓苊饬艘蛑谓Y(jié)構(gòu)撓度過(guò)大使得整個(gè)錐殼倉(cāng)頂?shù)恼w變形。

3 支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 單元選擇

本文中的徑向桁架和環(huán)向桁架均采用ANSYS中的Beam 4單元模擬，他們之間的各節(jié)點(diǎn)采用的大多數(shù)焊接和高強(qiáng)螺栓接連，其中環(huán)向桁架起到連接各榀徑向桁架從而增加支撐結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)定性的作用，故而在ANSYS模擬過(guò)程中對(duì)徑向桁架和環(huán)向桁架的節(jié)點(diǎn)全選擇為剛接。

結(jié)構(gòu)上部的徑向弦桿是與整體結(jié)構(gòu)的環(huán)向桁架通過(guò)直角扣件接連的，所以上部的徑向弦桿和每榀徑向桁架之間的桿件采用的是LINK8單元，其間的節(jié)點(diǎn)均按有限元假設(shè)設(shè)置為鉸接。

3.2 材料屬性

本工程的徑向桁架和環(huán)向桁架所用的型號(hào)均為Q235鋼材，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和鋼材彈性試驗(yàn)的指標(biāo)要求，材料彈性模量取E=2.06×105 N/mm2，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，泊松比設(shè)定為0.3，質(zhì)量密度設(shè)定為7850 kg/m3。

3.3 模型的建立

在使用ANSYS進(jìn)行實(shí)體有限元模型分析計(jì)算時(shí)，為了使計(jì)算后得到的結(jié)果能夠具有一定的準(zhǔn)確性，前處理中對(duì)模型網(wǎng)格劃分的形狀、類(lèi)型以及尺寸的控制顯得十分重要，對(duì)此需要妥善處理。在進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)操作后，然后對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)施加荷載，最后對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元計(jì)算，通過(guò)上述合理有效的處理來(lái)確保分析結(jié)果的可靠性。有限元分析模型中將結(jié)構(gòu)上部的每根徑向弦桿劃分成1個(gè)單元，對(duì)徑向桁架和環(huán)向桁架的梁?jiǎn)卧M(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。根據(jù)實(shí)際荷載和支撐情況在響應(yīng)位置處施加對(duì)應(yīng)的約束或荷載。在徑向桁架的筒倉(cāng)壁周邊下部位置處為固定支座，中心核心筒周邊的上部位置為鉸支座，其具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型

3.4 荷載組合

在進(jìn)行荷載組合時(shí)，取恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3，活荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.5。荷載工況組合時(shí)，分別考慮混凝土未澆筑前、澆筑一半、完全澆筑、倉(cāng)頂梁板施工時(shí)等四種情況。

3.5 模擬結(jié)果分析

3.5.1 支撐結(jié)構(gòu)的位移分析

結(jié)構(gòu)在受荷服役期間所產(chǎn)生的最大位移值是判斷此結(jié)構(gòu)受力性能重要因素之一。結(jié)構(gòu)在服役期間構(gòu)件產(chǎn)生的最大位移小，則抗彎剛度大、受力性能較好；反之如果結(jié)構(gòu)服役期間構(gòu)件產(chǎn)生的最大位移大，則說(shuō)明此結(jié)構(gòu)的抗彎剛度小，難以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)在正常荷載作用條件下的使用要求。用ANSYS有限元軟件計(jì)算后，得到的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)桿件的最大豎向位移值滿(mǎn)足要求。

對(duì)ANSYS有限元軟件計(jì)算出的分析結(jié)果的位移云圖進(jìn)行分析后，得出以下結(jié)論：四種不同工況荷載作用下傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)桿件的位移變化規(guī)律大致相同，都是在每榀徑向桁架中心部位處的撓度最大；兩側(cè)部位因?yàn)榇嬖谥ёs束，所以其產(chǎn)生的豎向位移基本接近于零；支撐結(jié)構(gòu)桿件的豎向變形從每榀桁架的中心部位向著兩邊不斷變小，靠近筒倉(cāng)中心部位的桿件位移變化程度相對(duì)較大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的桿件變形圖大致呈中心對(duì)稱(chēng)性分布。見(jiàn)圖3。

圖3 偏心可調(diào)節(jié)地漏

圖3 荷載工況四下的結(jié)構(gòu)位移云圖（m）

3.5.2 支撐結(jié)構(gòu)的受力分析

支撐結(jié)構(gòu)在桿件的內(nèi)力直接影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要因素之一。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力不應(yīng)超過(guò)材料本身的抗拉或抗壓強(qiáng)度。通過(guò)ANSYS后處理中的組合運(yùn)算得到了四種不同荷載工況下的各桿件的應(yīng)力云圖，具體如下圖4所示。

圖4 工況四下的應(yīng)力云圖（Pa）

分析各工況下傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，在四種荷載工況作用下，支撐結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力都呈中心對(duì)稱(chēng)分布。在施工工況一下，支撐結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的最大拉應(yīng)力值為4.81MPa，最大壓應(yīng)力值為12.6MPa ；在澆筑了一半混凝土后的工況二的荷載作用下，支撐結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的最大拉應(yīng)力值為33.6MPa，最大壓應(yīng)力值為125MPa ；在錐殼倉(cāng)頂混凝土澆筑完后的工況三的荷載作用下，支撐結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的最大拉應(yīng)力值為36.4MPa，最大壓應(yīng)力值為131MPa ；在最后澆筑上環(huán)梁的工況四的荷載作用下，支撐結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的最大拉應(yīng)力值為37.7MPa，最大壓應(yīng)力值為132MPa ；所有桿件的應(yīng)力值均小于其鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，充分證明了該支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大直徑筒倉(cāng)施工工程中，錐殼倉(cāng)頂?shù)氖┕つ０宓闹我恢笔谴笾睆酵矀}(cāng)施工中的關(guān)鍵性問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題一直受到廣大工程師和科研學(xué)者的關(guān)注。本文提出了一種新型筒倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂施工組合式支撐體系，以體系中的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，得到以下結(jié)論：

（1）本文闡述了新型筒倉(cāng)錐殼倉(cāng)頂施工組合式支撐體系的設(shè)計(jì)原理、所用桿件和連接方式的選擇以及中心核心筒的設(shè)計(jì)。其體系中的傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的特殊的拱形構(gòu)造和殼體組合形式具有一定的創(chuàng)新性。

（2）計(jì)算了傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)的模型在不同工況荷載作用下的應(yīng)力和豎向變形，同時(shí)進(jìn)行了與無(wú)拱形斜梁式支撐結(jié)構(gòu)和無(wú)拱形的傘型錐殼斜梁式支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析工作，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)傘型錐殼組合式支撐結(jié)構(gòu)在構(gòu)造形式上具有一定的優(yōu)越性，提升了錐殼倉(cāng)頂施工的安全度和經(jīng)濟(jì)性。

（3）設(shè)計(jì)的本支撐體系可重復(fù)拆卸，多次利用，尺寸可以在一定程度內(nèi)調(diào)整，大大節(jié)省工程造價(jià)。