新型锥壳仓顶施工支撑结构的设计研究

唐志强 孟闻远 余监华

1.漯河水利局 河南 平顶山 462300 2.华北水利水电大学 河南 郑州 450002

1 概述

筒仓结构是一种实际生活中用来储存块状、散粒状物品资源的地面建筑中比较常见的构筑物，也是在我国的电力、农业、矿产业、化工、物流等领域中被广泛应用的大型直立容器之一[1]。筒仓结构相比于其他大型厂房具有很多优点：筒仓贮存物品的容量大、自身的占地面积小，建造施工完成的速度较快；贮存物料便捷，筒仓因其大空间的优势使得其内部作业具有很高的机械化，筒仓的后期使用和维护的所需费用相对其他大型储存类建筑来说相对比较低。

通过深入、广泛地了解现有的筒仓锥壳仓顶施工方法，然后在此基础上进行了支撑结构的改进，本文自主设计了一种新型筒仓锥壳仓顶施工组合式支撑体系。

2 施工支撑结构的设计研究

2.1 工程概况

本文所建模型是以某面粉有限公司生产基地浅圆仓锥壳仓顶数据为例，本工程由8栋筒仓组成，分列二排，每个储粮单仓仓容为10000t。其直径为25m，仓体总高度为33.3m，装粮高度为27.75m。基础为CFG桩复合地基，基础采用C30混凝土，基础底设100mm的C15素混凝土垫层，采用复合地基处理方案。主体筒仓施工时采用刚性平台滑模施工，仓壁厚度250mm，仓顶盖为现浇钢筋混凝土锥顶，锥壳与仓壁呈25度角度，锥壳垂直高度为4800mm。浅圆仓的梁、柱、仓壁、顶盖混凝土强度等级均为 C30。下环梁底口标高为27.75m，环梁截面尺寸为 500×750 (mm2)，仓上锥壳壁厚为400mm，锥壳上环梁截面尺寸为 600×800 (mm2) ，锥壳上环梁顶标高为33.3m。

2.2 内部设计

本文的伞型锥壳组合式支撑结构拥有着拱和桁架的共同优势，利用拱的几何形式特性来实现弯矩向轴力的转化，并通过格构的方式将弯矩转化为弦杆的轴力，使得整个支撑结构具有更高的结构承载效率。

综上所述该支撑结构将有着自身重量轻、抗拉性能好、承载效率高、材料强度利用率高、造型美观、施工安装便捷等优势，因此可以用来解决筒仓锥壳仓顶结构施工困难的问题。

本文的径向钢桁架是由拱形桁架演变而来的，基于结构力学和弹性力学的理论，基于壳体力学性能设计了伞型锥壳组合式支撑结构。本文设计的支撑结构传力性能高效，对竖直荷载具有很强的承载能力，可以分担每根支撑杆件的承载压力，以此来充分利用杆件的承载性能。

针对浅圆仓实际的工程概况，把伞型锥壳组合式支撑结构的径向钢桁架设计为下弦杆采用尺寸80×80 (mm2)的矩形空心截面，其截面的厚度为5mm，为了适宜实际中浅圆仓的锥壳建造，把径向桁架与水平位置呈25°角斜向布置。

图1 某一榀伞型锥壳组合式支撑结构的径向桁架实体模拟图

伞型锥壳组合式支撑结构的构件通过工厂加工后，再运输到筒仓的施工现场，然后施工人员进行组装后再进行现场吊装。该支撑结构将采用分榀吊装的方法，一边与中心核心筒进行螺栓连接，另一端与筒仓仓壁的预留件进行固定，一共需要吊装25榀。每榀径向桁架之间用特殊的钢管进行螺栓对接，形成完整的伞型锥壳组合式支撑结构。

2.3 与已有的支撑结构的区别

在目前的筒仓仓顶施工工程中，存在着不同形式的模板支撑体系。为了突显本文设计的伞型锥壳组合式支撑结构构造方面的优越性，在相同筒仓仓顶施工条件下，与已有的桁架支撑结构进行对比。

从施工方面来看，与常规的型钢框架结构支撑体系、扣件式钢管桁架与中心井架组合式支撑体系、中心井架环式辐射状支撑体系等相比较，伞型锥壳组合式支撑结构因无需在高空再次搭设脚手架，在施工方面得到了简化，从而在施工造价和耗费工期方面也降低了很多。

从结构构造方面来看，已有的伞型无拱斜梁式支撑结构，其各杆件无法协同工作，使得结构的受力性能远未达到最优的状态。本文基于拱形结构，特别是壳体结构力学性能的特点，设计出伞型锥壳组合式支撑结构。使得该支撑结构在力学的受力形式和性能方面得到了很大的改善。为了进一步说明内部拱形构造的特点，对内部有无拱形结构的支撑结构进行了力学理论上的对比，对两者的上部施加相同的均布荷载的情况下，伞型锥壳组合式支撑结构承担竖向均布荷载作用时，其两侧的支座将产生相应的水平推力，利用其几何特性可以将竖向荷载的作用转化为轴向压力，通过这种转化可以显著减小其中间部位的弯矩和剪力，但是无拱形斜梁式支撑结构的上部杆件将承受完整的均布荷载作用下产生的弯矩和剪力。从此可以体现伞型锥壳组合式支撑结构的两个优势：

（1）在相同的工况下，两种结构在确保安全完成施工的前提下，伞型锥壳组合式支撑结构能够充分利用材料的强度，因此可以凭借本身结构的优越性使得施工工程造价进一步的缩减，具有很好的经济效益。

（2）在相同的工况下，通过力学理论的分析可知两种结构在承受施工荷载后，伞型锥壳组合式支撑结构产生的最大挠度较小。在筒仓仓顶施工中，需要在支撑结构的上部搭设现浇混凝土模板，伞型锥壳组合式支撑结构在施工过程中产生的小挠度变化可以更好的确保了锥壳仓顶的浇筑，避免了因支撑结构挠度过大使得整个锥壳仓顶的整体变形。

3 支撑结构的有限元分析

3.1 单元选择

本文中的径向桁架和环向桁架均采用ANSYS中的Beam 4单元模拟，他们之间的各节点采用的大多数焊接和高强螺栓接连，其中环向桁架起到连接各榀径向桁架从而增加支撑结构整体性与稳定性的作用，故而在ANSYS模拟过程中对径向桁架和环向桁架的节点全选择为刚接。

结构上部的径向弦杆是与整体结构的环向桁架通过直角扣件接连的，所以上部的径向弦杆和每榀径向桁架之间的杆件采用的是LINK8单元，其间的节点均按有限元假设设置为铰接。

3.2 材料属性

本工程的径向桁架和环向桁架所用的型号均为Q235钢材，满足国家标准和钢材弹性试验的指标要求，材料弹性模量取E=2.06×105 N/mm2，强度设计值为215 MPa，泊松比设定为0.3，质量密度设定为7850 kg/m3。

3.3 模型的建立

在使用ANSYS进行实体有限元模型分析计算时，为了使计算后得到的结果能够具有一定的准确性，前处理中对模型网格划分的形状、类型以及尺寸的控制显得十分重要，对此需要妥善处理。在进行一系列的基础操作后，然后对相应的节点施加荷载，最后对实体模型进行有限元计算，通过上述合理有效的处理来确保分析结果的可靠性。有限元分析模型中将结构上部的每根径向弦杆划分成1个单元，对径向桁架和环向桁架的梁单元进行自由网格划分。根据实际荷载和支撑情况在响应位置处施加对应的约束或荷载。在径向桁架的筒仓壁周边下部位置处为固定支座，中心核心筒周边的上部位置为铰支座，其具体设置如图2所示。

图2 支撑结构的有限元模型

3.4 荷载组合

在进行荷载组合时，取恒荷载分项系数为1.3，活荷载的分项系数为1.5。荷载工况组合时，分别考虑混凝土未浇筑前、浇筑一半、完全浇筑、仓顶梁板施工时等四种情况。

3.5 模拟结果分析

3.5.1 支撑结构的位移分析

结构在受荷服役期间所产生的最大位移值是判断此结构受力性能重要因素之一。结构在服役期间构件产生的最大位移小，则抗弯刚度大、受力性能较好；反之如果结构服役期间构件产生的最大位移大，则说明此结构的抗弯刚度小，难以满足结构在正常荷载作用条件下的使用要求。用ANSYS有限元软件计算后，得到的伞型锥壳组合式支撑结构杆件的最大竖向位移值满足要求。

对ANSYS有限元软件计算出的分析结果的位移云图进行分析后，得出以下结论：四种不同工况荷载作用下伞型锥壳组合式支撑结构杆件的位移变化规律大致相同，都是在每榀径向桁架中心部位处的挠度最大；两侧部位因为存在支座约束，所以其产生的竖向位移基本接近于零；支撑结构杆件的竖向变形从每榀桁架的中心部位向着两边不断变小，靠近筒仓中心部位的杆件位移变化程度相对较大，同时发现结构的杆件变形图大致呈中心对称性分布。见图3。

图3 偏心可调节地漏

图3 荷载工况四下的结构位移云图（m）

3.5.2 支撑结构的受力分析

支撑结构在杆件的内力直接影响结构的强度设计是否满足要求，是结构设计是否合理的重要因素之一。在设计过程中，结构杆件的内力不应超过材料本身的抗拉或抗压强度。通过ANSYS后处理中的组合运算得到了四种不同荷载工况下的各杆件的应力云图，具体如下图4所示。

图4 工况四下的应力云图（Pa）

分析各工况下伞型锥壳组合式支撑结构的应力云图发现，在四种荷载工况作用下，支撑结构杆件的应力都呈中心对称分布。在施工工况一下，支撑结构中的构件的最大拉应力值为4.81MPa，最大压应力值为12.6MPa ；在浇筑了一半混凝土后的工况二的荷载作用下，支撑结构中的构件的最大拉应力值为33.6MPa，最大压应力值为125MPa ；在锥壳仓顶混凝土浇筑完后的工况三的荷载作用下，支撑结构中的构件的最大拉应力值为36.4MPa，最大压应力值为131MPa ；在最后浇筑上环梁的工况四的荷载作用下，支撑结构中的构件的最大拉应力值为37.7MPa，最大压应力值为132MPa ；所有杆件的应力值均小于其钢材的强度设计值215MPa，充分证明了该支撑结构的强度满足规范要求。

4 结束语

在大直径筒仓施工工程中，锥壳仓顶的施工模板的支撑一直是大直径筒仓施工中的关键性问题，这个问题一直受到广大工程师和科研学者的关注。本文提出了一种新型筒仓锥壳仓顶施工组合式支撑体系，以体系中的伞型锥壳组合式支撑结构为主要研究对象，得到以下结论：

（1）本文阐述了新型筒仓锥壳仓顶施工组合式支撑体系的设计原理、所用杆件和连接方式的选择以及中心核心筒的设计。其体系中的伞型锥壳组合式支撑结构的特殊的拱形构造和壳体组合形式具有一定的创新性。

（2）计算了伞型锥壳组合式支撑结构的模型在不同工况荷载作用下的应力和竖向变形，同时进行了与无拱形斜梁式支撑结构和无拱形的伞型锥壳斜梁式支撑结构的对比分析工作，结果表明本文设计伞型锥壳组合式支撑结构在构造形式上具有一定的优越性，提升了锥壳仓顶施工的安全度和经济性。

（3）设计的本支撑体系可重复拆卸，多次利用，尺寸可以在一定程度内调整，大大节省工程造价。