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(guó)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(cāng)具有倉(cāng)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(chǔ)存［1］。 我國(guó)糧食產(chǎn)量逐年增加， 所需糧倉(cāng)倉(cāng)容需求也相應(yīng)提高， 但目前我國(guó)近1／3的糧倉(cāng)是在21 世紀(jì)初建設(shè)的， 倉(cāng)房建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，倉(cāng)容嚴(yán)重不足， 保管費(fèi)用不斷增加等一系列問(wèn)題都迫切需求新的糧倉(cāng)建設(shè)［2-3］。

傳統(tǒng)大直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工需搭設(shè)滿堂架， 存在費(fèi)用較高、 工期長(zhǎng)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(tái)通用性不高且搭設(shè)中心井架或格構(gòu)柱花費(fèi)時(shí)間仍相對(duì)較長(zhǎng)［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(cāng)頂支撐平臺(tái)的搭設(shè)時(shí)間，但相對(duì)增加了滑模施工過(guò)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(yàn)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(tái)安拆便捷， 但當(dāng)筒倉(cāng)直徑較大時(shí)， 倉(cāng)頂施工時(shí)跨中撓度較大［8-10］。 孟文清等設(shè)計(jì)了兩種新型模塊化鋼桁架平臺(tái)， 有效解決了傳統(tǒng)剛性滑模平臺(tái)通用性低等問(wèn)題［11-12］。 通過(guò)以往研究可知新建筒倉(cāng)所需倉(cāng)容越來(lái)越大， 倉(cāng)頂直徑隨之增加， 對(duì)倉(cāng)頂施工的便捷性， 安全性要求越來(lái)越高， 同時(shí)如何設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)， 可適用于不同直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工平臺(tái)也成為一個(gè)重要研究方向。

本文以秦皇島某糧倉(cāng)項(xiàng)目為研究對(duì)象， 提出了一種貝雷架結(jié)合中心立柱作為倉(cāng)頂施工支撐體系， 因?yàn)樨惱灼瑸楣ぞ呤匠兄貥?gòu)件， 組裝便捷［13］，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)貝雷片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和不同長(zhǎng)度的非標(biāo)節(jié)，可使該體系適用于不同直徑的筒倉(cāng)倉(cāng)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(guò)有限元分析， 驗(yàn)證了貝雷架鋼平臺(tái)在32 m 大直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工中應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于河北省秦皇島市海港區(qū)， 新建20座大直徑儲(chǔ)糧筒倉(cāng)， 施工時(shí)四個(gè)筒倉(cāng)為一組， 一組中相鄰的兩個(gè)筒倉(cāng)同時(shí)滑模施工。 其中， 大直徑筒倉(cāng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 倉(cāng)容量25 萬(wàn)噸， 直徑32 m， 地上2 層， 筒倉(cāng)壁厚300 mm， 建筑總高度為28.4 m。 倉(cāng)頂為錐殼式結(jié)構(gòu)， 錐殼與水平面夾角26 °， 厚度為200 mm， 倉(cāng)頂混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(cāng)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(cāng)底搭設(shè)滿堂腳手架作為倉(cāng)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(jiǎn)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(xiǎn)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(zhǎng)， 施工成本高， 目前已很少采用。

2.2 傘狀懸空滑模剛性平臺(tái)支撐方案及特點(diǎn)

傘狀懸空滑模剛性平臺(tái)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(cāng)壁剛牛腿上， 一端與中心鼓圈相連， 如圖1所示。 平臺(tái)的拼裝在漏斗上完成， 通過(guò)電動(dòng)倒鏈將平臺(tái)提升至預(yù)定標(biāo)高， 然后再平臺(tái)上搭設(shè)腳手架完成倉(cāng)頂施工。 該方案組裝拆除較方便， 但是在錐殼施工過(guò)程中要分多次澆筑， 施工工藝繁瑣，耗費(fèi)工期較長(zhǎng)。

圖1 傘狀懸空滑模剛性平臺(tái)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(tái)方案及特點(diǎn)

斜梁式支撐平臺(tái)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(guò)措施埋件相連， 隨滑模同步提升。 該方案不需要在桁架平臺(tái)再搭設(shè)腳手架， 但是平臺(tái)跨度大，跨中撓度較大， 多通過(guò)焊接連接， 平臺(tái)通用性較差。

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

圖3 貝雷架鋼平臺(tái)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(tái)＋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(jiǎn)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(tái)＋中心立柱支撐體系在滑模結(jié)束后在倉(cāng)頂安裝貝雷架， 鋼平臺(tái)端部放置在倉(cāng)壁預(yù)留洞口處， 中心側(cè)通過(guò)環(huán)形托盤與中心立柱相連， 在鋼平臺(tái)上搭設(shè)支撐倉(cāng)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(tái)通用性強(qiáng)， 可適用于不同直徑的筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工。

2.5 對(duì)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(zhǎng)， 故不考慮此種施工方案。 其他3 種倉(cāng)頂施工支撐平臺(tái)的方案各有優(yōu)缺點(diǎn)， 32 m 直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂三種施工方案的各方面性能對(duì)比見表1。

表1 方案對(duì)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(duì)上部混凝土澆筑影響最小。 該平臺(tái)雖然用鋼量最多， 但貝雷架為工具式承重構(gòu)件， 采購(gòu)方便， 周轉(zhuǎn)率高， 通用性強(qiáng)， 每次周轉(zhuǎn)時(shí)間相較于其他兩種平臺(tái)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(tái)相較于傘狀懸空滑模剛性平臺(tái)節(jié)約成本432 萬(wàn)元， 節(jié)省約一半工期， 相較于斜梁式支撐平臺(tái)節(jié)約成本202萬(wàn)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(tái)在成本、 工期、 周轉(zhuǎn)效率等各方面均有較大優(yōu)勢(shì)。綜上所述， 貝雷架式鋼平臺(tái)為最優(yōu)方案。

3 貝雷架鋼平臺(tái)＋中心立柱支撐體系設(shè)計(jì)

貝雷架中心立柱組合鋼平臺(tái)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(tái)主要桿件截面參數(shù)見表2， 鋼平臺(tái)組成截面示意圖如圖4 所示。

表2 貝雷架鋼平臺(tái)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(tái)＋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(yáng)頭， 通過(guò)銷軸連接， 桁架外側(cè)通過(guò)預(yù)留洞口與筒倉(cāng)相連， 中心通過(guò)銷軸與環(huán)梁相連，面對(duì)不同直徑的筒倉(cāng)時(shí)， 可以通過(guò)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(lái)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(guò)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(gè)方向均長(zhǎng)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(shí)在H 型鋼上設(shè)置四根鋼管支撐加固體系， 以確保平臺(tái)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(gè)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(guò)螺栓與牛腿連接， 貝雷架通過(guò)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(jì)

荷載主要為筒倉(cāng)倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工荷載， 倉(cāng)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(duì)倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖7 倉(cāng)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(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程恒載包括鋼平臺(tái)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(jì)恒載取值為6.3 kN／m2（不包含平臺(tái)自重， 平臺(tái)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算）， 活載參照規(guī)范取2.0 kN／m2。 按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況， 工況為倉(cāng)頂錐殼一次澆筑完成。操作平臺(tái)上布置700 mm×800 mm 的滿堂腳手架，立桿所在位置即鋼平臺(tái)外荷載的作用點(diǎn)， 且為符合實(shí)際工程狀況， 環(huán)形鋼平臺(tái)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(tái)的有限元模型。 鋼平臺(tái)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?jiǎn)卧M， 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(cāng)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(jì)算按照GB 50017-2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 受壓構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比取控制值為150， 鋼平臺(tái)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(tái)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(jì)

貝雷片之間通過(guò)銷軸連接， 具有組裝拆卸便捷， 適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 該平臺(tái)通用性強(qiáng)， 通過(guò)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(cāng)， 解決了常規(guī)平臺(tái)閑置的問(wèn)題， 通過(guò)統(tǒng)計(jì)以往實(shí)際工程， 常見筒倉(cāng)直徑一般為36 m，34 m， 30 m， 26 m， 因?yàn)殍旒芷脚_(tái)對(duì)稱布置， 模塊化平臺(tái)體系（半跨） 組合表見表3。

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

表中桁架徑向長(zhǎng)度略大于筒倉(cāng)半徑， 這是由于鋼平臺(tái)兩端需要一定的搭接長(zhǎng)度， 通過(guò)表中數(shù)據(jù)可知， 平臺(tái)通過(guò)調(diào)節(jié)貝雷片個(gè)數(shù)與非標(biāo)節(jié)長(zhǎng)度便可適用于不同直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工， 通用性較強(qiáng)，但由于筒倉(cāng)直徑不同、 倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)形式及平臺(tái)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(tái)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(shí)際工程具體分析。 本平臺(tái)已成功應(yīng)用于26 m、 28 m、 30 m、 32 m 等不同直徑筒倉(cāng)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(duì)貝雷架鋼平臺(tái)＋中心立柱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算， 相比較將貝雷架鋼平臺(tái)與中心立柱分開驗(yàn)算， 整體驗(yàn)算結(jié)果更加符合實(shí)際工程情況。 計(jì)算結(jié)果表明該平臺(tái)在承受上部施工荷載時(shí)產(chǎn)生的撓度較小， 可以很好的保證倉(cāng)頂?shù)钠秸取?/p>

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

（3） 該平臺(tái)本身具有模塊化特性， 且組裝拆卸簡(jiǎn)單， 可以很好的適應(yīng)不同直徑筒倉(cāng)施工， 增強(qiáng)了平臺(tái)的通用性， 解決了平臺(tái)閑置的問(wèn)題。

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