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滑模施工工艺对贮煤仓结构受力的影响分析

日期：2016-4-8 14:31:44　来源：互联网　浏览数：
　

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随着煤炭产量的增加，贮煤仓的建设也不断增多。贮煤仓具有占地面积小，仓容量大等优点。建造贮煤仓的施工工艺有很多种，目前应用最多的是滑模施工工艺，滑模施工机械化程度高、占用场地少、施工速度快、安全作业有保障、经济和环境效益显著。
    由于施工工艺特点，不同的滑模施工工艺在结构不同部位产生难以避免的施工缝，众多研究表明，施工缝对混凝土局部抗拉、抗剪承载力的影响是显著的［1 － 2］，然而结构设计时并未考虑选用不同施工工艺对结构受力的影响，这就导致实际结构与原设计存在受力差异。文章对不同滑模施工工艺下建造的贮煤仓进行有限元模拟计算，分析不同施工工艺对结构受力的影响。
    1· 贮煤仓概况和施工工艺
    1. 1 贮煤仓概况
    贮煤仓内径18m，容量7500t，仓壁与筒壁厚度均为300mm; 仓顶为单层钢筋混凝土框架; 基础为钢筋混凝土筏板; 贮煤仓所有部分均采用C35 现浇混凝土。贮煤仓立剖面图、平面图如图1所示。

    1. 2 施工工艺
    滑模施工是目前建造贮煤仓的主要施工工艺，众多钢筋混凝土贮煤仓结构从漏斗施工的先后顺序可分为“同时施工法”和“后施工法”。
    “同时施工法”即贮煤仓主体滑模施工至漏斗环梁部位时空滑过环梁，停止主体滑模的施工，将漏斗施工完毕后再继续进行主体滑模建造的施工工艺，由于空滑高度较大以及环梁和底板漏斗处插筋较密，其下部筒壁常采用倒模施工，并利用倒模施工搭设的满堂红脚手架支设底板或漏斗模板，待混凝土强度达到设计要求的70% 后拆除模板，底板或漏斗施工完毕后在其上部组装滑模设备进行上部结构的滑模施工［3］，这样在环梁上部与仓壁交接处产生水平向的施工缝，如图2 所示，在此将这种先倒模后滑模的工艺称为“同时施工法”。

“后施工法”是指主体滑模施工至漏斗时，将漏斗环梁处的钢筋预留，并继续滑模的施工，待主体滑模封顶后再施工漏斗的一种施工工艺［4］，这样就将环梁分为两部分浇筑，一部分与仓壁同宽，并与仓壁连续浇筑，余下部分待仓壁施工完毕后与漏斗一起进行二次浇筑，由于二次浇筑时间间隔超过混凝土的初凝时间，前后浇筑的环梁接槎处形成竖向施工缝，如图3 所示。

    2 ·不同施工工艺下贮煤仓非线性有限元分析
    2. 1 计算参数选取
    本工程混凝土均采用C35 现浇混凝土，弹性模量E0 =3. 15 × 104N/mm2 ; 采用HRB335 钢筋，弹性模量Es = 2. 0 ×105N/mm2。贮煤仓的贮料重力密度γ = 10. 0kN/m3，水力半径ρ = 4. 5m，贮料与仓壁的摩擦系数μ = 0. 55，贮料的内摩擦角φ = 30°，混凝土泊松比为0. 2。由于文章选用整体式建模，采用等效模量方法对钢筋混凝土材料进行模量等效［5］。模型只考虑了贮料对筒仓的各项影响，并未考虑风、地震、基础沉降等外界因素对筒仓产生的作用。假设贮煤仓始终处于建造时的温度，在该温度下筒仓不会有任何温度应力。
    2. 2 前处理
    混凝土仓壁、梁、柱、底板和漏斗均选用solid45 实体单元，根据工程实际输入参数。采用一层“软混凝土”［6］来模拟“同时施工法”和“后施工法”在结构中产生的施工缝，考虑施工中施工缝的处理方法、新老混凝土结合面受力特性和建立有限元模型的特点，取一个网格厚度作为软混凝土层。由前人相关实验资料，参考文献［7］以及本工程施工特点，取新老混凝土试件C40 /C35 劈拉强度降低为原混凝土的65%，作为文章的计算参数之一。根据对称性，建模时只需建1 /4 结构，建立原设计结构和两种施工工艺建造的贮煤仓有限元模型，并分别划分出合适大小的单元，输入相关参数。在此需要特别指出，除施工缝处各模型有所差异外，模型其他参数均相同。
    2. 3 加载与求解
    1) 对于贮煤仓在贮料压力下的受力分析，由文献［8］可知贮料处于卸料状态比静止状态对结构的作用力大，故本文选用贮料处于卸料状态时对结构进行计算。按照《钢筋混凝土筒仓设计规范》( GB50077 － 2003) 规定的贮料压力，计算处于卸料状态时贮煤仓上作用的5 类荷载: 漏斗法向压力Pn、漏斗摩擦力Pt、仓底竖直压力Pv、仓壁法向压力Ph、仓壁单位周长上的竖向摩擦力Pf。经过分析，使用surf154表面效应单元来加载单元表面各个方向的分布荷载［9］。
    2) 对模型施加约束: 筒壁和各柱底部均采用固结，沿仓壁高度两侧采用对称处理。
    3) 将上述计算得出的各项荷载分布以及约束情况输入模型中并求解。
    2. 4 计算结果及分析
    2. 4. 1 计算结果
    经分析计算得出原设计结构贮煤仓、同时施工法建造贮煤仓、后施工法建造贮煤仓等三个模型仓的应力云图，如图4 所示。在ANSYS 进行各构件分析时，发现环梁应力在三种模型中应力变化较大。

                           图4贮煤仓应力云图、环梁应力云图
    2. 4. 2 结果分析
    1) 贮煤仓应力应变分析。为了更直观的对比不同施工工艺对贮煤仓结构内力的影响，表1 列出各模型仓等效应力和等效应变。从图4 和表1 可以看出三个模型应力和应变变化规律是一致的，应力最大处均出现在Z － 6 与环梁连接处，后施工法贮煤仓应力最小，较原设计结构减小6. 6%，同时施工法贮煤仓与原设计结构基本相同。仓壁的相对位移随着标高的增长而逐渐减少，相对位移较大的区域在仓壁下部h /3 范围内，就整体位移而言三个模型变化甚微。另外，本工程仓壁为29. 5m 高，由图4 可知，仓壁按所受应力大小可以大致分成七段，每段之间存在比较明显的界限。

2) 环梁应力分析。除环梁外三个模型各构件最大、最小应力基本产生在构件的相同位置，而三个模型中环梁最大应力位置发生改变，环梁等效应力见表2。由图4 中b、d、f 和表2 可以看出原设计结构环梁最大应力出现在环梁与Z － 6 连接部位N744 处，此处同时施工法贮煤仓应力与原设计结构基本相同，后施工法贮煤仓应力较原设计结构降低20. 6%; 同时施工法和后施工法建造的贮煤仓环梁最大应力均出现在环梁外侧与仓壁连接部位N101 处，在此处后施工法贮煤仓应力与原设计结构基本相同，同时施工法贮煤仓应力较原设计结构增加7. 0%。

3) 仓壁应力分析。从图4 中a、c、e 中可以看出壁柱与仓壁连接处仓壁受力最大，并且在仓壁底部2m 范围内，三个模型仓壁应力存在差异，仓壁具代表性节点的等效应力见表3。由表3 可以看出后施工法贮煤仓仓壁应力略有降低，但变化不大。由于同时施工法施工缝在环梁上方与仓壁连接处，仓壁应力与原设计结构差异较大，自仓壁底向上0 ～ 0. 5m 区域，同时施工法贮煤仓较原设计结构降低6. 5% ～ 8. 2%; 距仓壁底0. 5 ～ 1. 0m 区域，同时施工法贮煤仓较原设计结构降低7. 3% ～ 7. 8%; 距仓壁底1. 0 ～1. 5m 区域，同时施工法贮煤仓较原设计结构降低1. 3% ～1. 6%; 2. 0m 以上区域三个模型仓壁受力基本相同。

    4) 各构件应力分析。为对比施工工艺对结构其他构件应力影响，各构件等效应力见表4。
    由表4 可知同时施工法贮煤仓各构件应力与原设计结构基本相同。后施工法施工缝产生在环梁内部，导致环梁刚度降低，因此与其相连构件应力变化较大，Z － 6 最大应力减低6. 1%，最小应力降低18. 1%; 与环梁相连底板应力降低7. 7%，底板内部应力增加5. 3%; KL － 1 最大应力增加14. 3%; LL － 1、LL － 3 最大应力均无变化，最小应力分别增长12. 2%和18. 1%; 其他构件应力基本无变化。
    4· 结语
    通过模拟计算原设计结构和不同滑模施工工艺建造的贮煤仓结构，对三个模型仓应力、应变进行对比分析。可清晰看出，同时施工法仅对贮煤仓结构环梁和仓壁局部受力产生影响，环梁应力超出原设计结构，对其他构件基本无影响，但同时施工法施工复杂，工期较长。而后施工法从筒壁底部到仓壁顶部均可采用一套滑模装置，施工更为方便、快捷，是目前应用较多的施工方法，但后施工法对贮煤仓结构整体受力以及各构件均有影响，梁、板、柱等构件应力超出原设计结构较多。由此，当施工方选用特定施工工艺建造贮煤仓时，设计人员则应考虑施工工艺对结构受力的影响，修正结构设计，保证结构安全。