Ｉ技术园地 ｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｃｏｐｅ 第２９卷２０１１年第１期 的受力分析 刘光强 （山西焦煤西山金信建筑有限公司，山西古交０３０２００】 【摘要】某矿区大直径筒仓工程滑模施工，采用中心井架支撑环形辐射操作平台方法，既满足仓壁滑模施工的需要，又解 决了仓项结构施工的支撑问题。结合该工程实例，对其直径为３０ｍ的筒仓滑模施工中心井架的受力情况进行了分析，并利用 ＡＮＳＹＳ软件中的有限元理论，对中心井架的可靠性做了进一步的分析和验证。 【关键词】大直径筒仓；滑模施工；中心井架；受力分析 【中图分类号】ＴＵ７５５．２ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１６７１—３７０２（２０１１）０１—００２８—０５ Ｌａｒｇｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｓｉｌｏ Ｓｌｉｐ Ｆｏｒｍ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ Ｄｅｒｒｉｃｋ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩＵ Ｇｕａｎｇ－ｑｉａｎｇ （ｓ｝哪诫Ｃｏｋ ｇ ＣｏｄＸｉｓｈａｎ Ｊｉｎｘｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇ￣ｉａｏ ０３０２ｏ０，Ｃｈｉｎ￣） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｉｌｏ ｓｌｉｐ ｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂ Ｙ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｅｒｒｉｃｋ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｐｐｒｏａｃｈ，ｂｏｔｈ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｗａｒｅｈｏｕｓｅ ｗａｌｌ ｓｌｉｐ ｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｒｅｈｏｕｓｅ ｒｏｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｈｅｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｅｒｒｉｃｋ ｏｆ ３０ｍ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｉｌｏ ｄｕｒｉｎｇ ｓｌｉｐ ｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｎｄ ｕｓｉａｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｉｌｏ；ｓｌｉｐ ｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｅｎｔｒｅ ｄｅｒｒｉｃｋ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ １工程概况 考虑仓顶锥壳及梁板结构施工支撑的需要，在确 某矿区储煤仓工程由２个直径为３０ｍ的预应力 定仓壁滑模施工方案时，优先采用了中心井架支撑环 式辐射操作平台的做法。这样既满足仓壁滑模施工的 需要，又解决了仓顶锥壳及梁板等结构施工支撑的问 题（见图１、图２）。 筒仓组成，仓壁厚度４００ｍｍ，仓体总高７３．８ｍ（其中仓 壁高度４２．７ｍ），仓顶为钢筋混凝土锥壳及梁板结构。 工程施工时，标高１６．８ｍ（漏斗）及其以下采用常规倒 模施工，标高１６．８ｍ（漏斗）以上采用滑模施工，滑升至 中心井架环形辐射操作平台主要由操作平台和中 锥壳下环梁部位（５９．５ｍ标高）终止，滑升高度为 ４２．７ｍ；最后固定操作平台，加固中心井架，并进行仓顶 心井架组成。由于篇幅所限，有关环形辐射操作平台的问 题将另文探讨，此处仅对中心井架的受力问题进行分析。 ２方案确定及构造设计 锥壳及梁板结构的施工。 作者简介：刘光强，男，高级工程师，山西焦煤西山金信建筑有限公 司总工程师。 中心井架设计为正方形，采用满堂红脚手架，围绕 简仓中心搭设，平面尺寸为１５ｍ￣１５ｍ，立杆间距１。０ｍ， ．２８一 、 ／ Ｌ ／ Ｉ ｆ ７ ＼ｌ 夕 《 、 ’ ｒ ／ ，、 ；－ 一 与 ｒ＼ ， 、 】 ［一 ｒ ：ｋ ￡ ＼ ／ ’ １ ＼ 【 正 ＼ ／ Ｌ Ｊｌ 一 ｉ Ｋ） ‘’ － ＿ ＿ ／ ＼ 了 ～ Ｐ ｊ ／ ＼ Ｌ ～ ｒ ‘ ／ ＼ Ｊ ， 门 ｎ ／ 】 （ ＼｜ ， ， 一 Ｉｊ ｐ 开 、 、 ／ ｒ 《 ， ／ Ｊ Ｊ ｌ Ｌ 、 》 ｜ ｊ Ｉ ｜ 、．／－ 一 图１ 中心井架支撑操作平台的平面图 ：Ⅱ ｒ ｌ ｌ９ ？ ［： 『 ５［ ／Ｉ／Ｉ／Ｉ／Ｉ ｒ、 — ；ｕ１小Ｉ＿７， ／、ｒ、ｒ、 ０ ～日 １ｌ ：｝ 一 ｉ ／ 一 ｌ—— 、３ 。 Ｉ／ ＝ ／ ／ ～ ＜ ／ ～ ～ ＞ ／ ／ ／ ／ 一 ＼ 一／ ． ／ ｝＼ 、 ～ ｝／ ＼ ｉ～／ ， ， ～ 、— ＼ ／，ｌ 一一 一 ， ＜ 一 ／ ～ ｉ／ ＼ — —— —— ～ ～ ， ≥ ｝一 ，／ 一 ／ ｝＼ ｌ一提升架：２一托架；３一中心井架；４一轻型桁架；５一钢环梁（上） ６一钢环梁（下）：７一水平支撑；８一垂直支撑；９一“米”形水平撑 ｌ０一圆形连接钢板：１１一操作平台：ｌ２一中心千斤顶；１３一支撑杆 图２中心井架支撑操作平台剖面图 步距１．２ｍ，随仓壁滑模边滑升边搭设。采用扣件式钢 管脚手架，钢管规格为中４８ｘ ３．５普通钢管，扣件采用 可锻铸铁制作。 构造设计原则是，依据《建筑施工扣件式钢管脚手 架安全技术规范｝ＪＧＪ１３０－－２００１（以下简称《规范》），通 过构造设计，使中心井架接近或达到几何不变体系，确 保其整体刚度和稳定。 １）在井字架的外立面４个方向的中间部位，搭设 双排脚手架与筒壁顶紧（见图３）。立杆间距为１．０ｍ， 步距为１．５ｍ，同时与混凝土仓壁进行可靠连接作为 侧向支撑。 ， ．Ｌ＿１． 士 辛：￡ 节 ｒ ； 旁 ＃辩 辜辑；：掌 孝 图３中心井架稳定性示意图 ２）为了加强中心井架的整体刚度和变形约束能 力，设置水平整体加强层。 在井架顶部、底部（漏斗上口平面位置）和中部，每 两步架位置设置水平十字撑，中间每４步架位置设置 水平加强层（见图４、图５）。 ！塑 三！ ． ｌ塑 三！ 图４水平十字撑示意图 图５水平加强层示意图 ３）中心井架４个外立面自上而下设剪刀撑。剪 刀撑的斜杆与水平杆的夹角为４０。～６０。（见图６），斜 杆与每根立杆的相交处用旋转扣件连接，且连接点不 得少于３个。 ３中心井架的受力分析 ３．１荷载计算 １）恒载 ①脚手架自重：搭设高度自漏斗＋１６．８ｍ至仓顶平 台环梁下＋５９．５ｍ，计４２．７ｍ；柱距×步距按１．Ｏｍ￣ １．５ｍ计算，得自重标准值 ＝０．１ ０６ｋＮ／ｍⅢ 一２９— 技术园地 ｅｃｈｍｃａｌ Ｓｃｏｐｅ 图６中心井架立面剪刀撑 ＮｃｌＫ＝０．１０６ｘ ４２．７ｘ １５２＝１０１８．４ｋＮ ②桁架传给中心井架的力： ⅣＧ２Ｋ＝６６．９ｋＮ￣４８＝３２ ｌ１．２ｋＮ ⑧仓顶平台自重：锥壳内环梁及井字梁混凝土 ｌ１５ｍ ，板４０ｍ’，梁板分开施工，所以板自重暂不计。 Ｇ ＝１ １５．０×２５＝２８７５ｋＮ ２）活载 活载按３ｋＮ／ｍ２考虑嘲，得 Ｑ １５ｘ １５ｘ ３＝６７５．０ｋＮ ３）中心井架总荷载 Ⅳ总＝１．２（＾ＩＧｌＫ＋Ｎｗｘ＋ＮＧ３Ｋ）＋１．４＜２＝１．２×（１０１８．４＋ ３２ ｌ１．２＋２８７５）十１．４×６７５．０＝９４７０．５２ｋＮ 中心井架平面布置如图７所示。由图７可知，立杆 受力杆为１６ｘ １６＝２５６根，另加双立杆７６根，支撑杆 ２０根，共计３５２根。 ４）单杆承载力 Ⅳ总／ｎ＝９４７０．５２／３５２＝２６．９ｋＮ 考虑１．２的不均衡受力影响嘲，得 Ⅳ ＝ｌ－２×２６．９＝－３２．２８ｋＮ ３＿２稳定性计算 查《规范》得：Ａ＝４．８９ｃｍ￣－４８９ｍｍ ：ｉ＝１．５８ｃｒｎ： １．１５５； １．７５；ｆ＝２０５Ｎ／ｍｍ２ｏ ￡０＝ ｃ ＝１．１５５￣１．７５￣１．５＝３．０３ｍ＝３０３ｃｍ Ａ＝Ｌｏ／ｉ＝３０３／１．５８＝１９１．７７ 查《规范》附录表Ｃ，得 ＝０．９４７。由此可得 Ｎ．／￣Ａ＝３２．２８ｘ １０Ｖ（０．９４７￣４８９）＝６９．７Ｎ／ｍｍ 一３０一 图７中心井架平面布置图 ＜产２０５Ｎ／ｍｍ２ 单根立杆的稳定性符合要求。 ４中心井架有限元分析 中心井架属空间结构，采用软件ＡＮＳＹＳ对平台 桁架进行模拟计算。ＡＮＳＹＳ软件是融结构、流体、电 场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软 件。该软件分析能力强，为大型结构分析的通用软件， 计算结果较为可靠。 ４．１模型建立 中心井架中各个杆件均采用ｐｉｐｅｌ６单元模拟，该 单元是一种单轴单元，具有拉压、扭转和弯曲性能。 ｐｉｐｅｌ６单元在两个节点有６个自由度，即沿节点ｘ．ｙ、 方向的平移和绕节点 、＇，、 轴的旋转。按照结构施工 井架进行建模，高４２．７ｍ。建立的模型平面图示如图 ８，正立面图示如图９。 图８中心井架模型平面图 。 ｝： ｒｒｒ ｒ ＃ 擀 Ｉ…＿一－＿一 摹 ０ ｒ■ ００ 基 ■茳：’ 鲻 Ｅ ｉ 斗一 ． ｊ ｊｉ… 擀 二 图９中心井架模型正立面图 ４．２求解 在中心井架底部及十字支撑杆件端部施加轴向约 束。在各个支撑杆处施加相应集中荷载，每个集中荷载 取值按平台桁架下弦４８个支点反力平均分布到２０个 支撑杆上，则每个支撑杆所承受的集中力为１５０．２ｋＮ。 内部中心井架共承担仓项荷载为９４７０．５２ｋＮ，平 均分配到３５２个脚手架杆件上，每个杆件承受的荷载 为２６．９ｋＮ。边界条件及约束确定以后，对有限元模型 进行求解。 ４＿３结果分析 １）内力分析 支撑杆最大压力在最高一节，为一１２６．４３ｋＮ。支撑 杆压力由支撑杆及加固的２～３根脚手架杆件共同承 担，每根钢管面积４８９ｍｍ ，强度可满足承载力要求。中 心井架竖杆与支撑杆形成空间受力体系，表现出的特 点为，中心井架竖杆与支撑杆距离越近，受力越大，即 平面上中心井架竖杆离支撑杆越远，轴力越小。 图１０中心井架变形图（斜侧面。放大１ＯＯ倍） ２）位移分析 由于中心井架杆件数量太多，不利于观察变形，故 只取最高一节做变形图（见图１０）。井架在支撑杆位置 处竖向位移大，离支撑杆越远，位移越小。 图１ｌ～图１３分别为中心井架上部、中部、下部位 图１１ 中心井架上部位移云图 图１２中心井架中部位移云图 图１３中心井架下部位移云图 （下转第４１页） ．３１． 证排水畅通，以防止渗水进入土层，造成湿陷变形。 卫生间及集中用水区段，采取严格的防水措施，即 井及管沟等，均设置３００ｍｍ厚的灰土垫层：对钢筋混 凝土管道，按标准图集设置了混凝土条形基础。 ３－３沉降观测 在灰土垫层之上再作防水层，对其地基采取多重保护， 防止水体下渗。 ２）结构设计措施 由于电厂主厂房结构体型复杂，基于其可能会出 现不均匀沉降，以及适应和抵抗湿陷性变形等方面的 对已施工完或正在建造的建（构）筑物，定期进行 沉降观测，并进行统计分析；发现异常，必须停止其施 工或使用，并查找原因，及时采取措施进行处理。 ４结 语 考虑，锅炉采用了独立设计，集控楼与主厂房完全脱 开，这也是电厂的基本设计方法。墙体选用多孔砖，减 该电厂投产使用至今，已达两年。从施工期间及投 产后的定期沉降观测的统计数据来看，各建（构）筑物的 沉降均符合相关规定的要求，这说明该电厂的自重湿 陷性土质的地基处理方法及防水措施是合理、有效的。 轻了总体建筑的负担，可在一定程度上起到降低建筑 变形的作用。主厂房每一层均设置圈梁及构造柱，加强 了结构的整体性及抗震性。 ３）厂区地下管网设计措施 参考文献 ［１］建筑施工手册编写组建筑施工手册（第四版）［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００３． 压力管道采用钢管、球墨铸铁管等；自流管道采用 钢筋混凝土管ｉ对埋地钢管等均作防腐处理，并设置钢 筋混凝土检漏管沟及检漏井。对检漏井、阀门井、检查 ［２］ＧＢ５００２５－－２００４，湿陷性黄土地区建筑规范［Ｓ］． （上接第３１页） 移云图。从这３幅图中可以看到，支撑杆位置竖向位移 最大，两侧逐渐减小，与支撑杆相隔２～３个竖向杆件 时，支撑杆上的荷载对其影响很小。支撑杆竖向最大位 移为一１８．６ｍｍ。 ４－４井架高度改变对支撑杆内力的影响 边滑升边搭设，中心井架４边应布置双排架，并与仓壁 顶紧。仓壁滑模结束后，在进行仓顶结构施工前，应重 新对中心井架进行加固。即在中心井架的４个外立面 全高设剪刀撑，中心井架从下至上每２步设十字剪刀 撑，每４步设加强层，操作平台内环梁下应用短横杆作 卸载处理。 取中心井架高度２２．５ｍ和４２．５ｍ进行计算。支撑 杆最大压力分别为一１２６．５６ｋＮ，一１２６．３８ｋＮ。由高度为 ２２．５ｍ、３２．５ｍ和４２．５ｍ的支撑杆内力可知，井架高度 增大，支撑杆最大轴力减小，但幅度很小，可以忽略。 ５结 语 中心井架支撑杆上的轴力除支撑杆自身承担外， 与其相邻的井架竖向杆件亦可承担一部分，距离越近， 轴力越大：支撑杆上的荷载对与其相隔２～３个杆件以 外的竖向杆件影响较小。井架高度在一定范围内增大 时，支撑杆最大轴力变化很小。这说明中心井架无论在 仓壁滑模阶段，还是在仓顶结构施工阶段都是安全可 靠的。 在大直径筒仓滑模施工中，采用中心井架支撑操 作平台，既满足了仓壁滑模施工的需要，又解决了仓顶 结构重载施工的支撑问题。该工艺具有施工速度快、结 构稳定性好、安全可靠、省工省料的特点，自２００６年开 发以来，已用于多个大直径筒仓工程的施工，取得了较 好的经济效益，并受到广大施工人员的欢迎和社会各 界的好评。 参考文献 ［１璃 筑施工手册编委会．建筑施工手册（第三版）［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，１９９７． 中心井架通常应呈正方形布置，平面尺寸的大小 主要取决于筒仓直径和仓顶结构的荷载。一般直径为 ［２］中华人民共和国行业标；隹建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术 规范（ＪＧＪ １３０－－２００１）［ｓ］． ３０ｍ的筒仓中心井架，平面尺寸采用１５ｍｘ １５ｍ，立杆 间距ｌｍ，横杆步距１．５ｍ。在仓壁滑模施工阶段，采用 ［３］杜荣军．科学规范脚手架结构施工支架的设计和计算规定（１）［Ｊ］． 施工技术，２０１０，３９（１）． 一４１．