大型鋼筒倉亮化

河南工業大學是我國糧食工程類的特色高校, 在建筑工程結構領域, 特別是在糧食儲倉結構的教學、研究和工程應用方面實力雄厚。近年來, 由于鋼筋混凝土筒倉亮化占地面積小、倉容量大、疏通費用低、便于機械化作業等優點, 在糧食部門得到廣泛應用。根據《教育信息化十年發展規劃 (2011—2020年) 》的要求, 學校在建設土木建筑虛擬仿真實驗教學示范中心的過程中, 結合自身在筒倉亮化結構方面的教育優勢, 對鋼筋混凝土筒倉亮化結構的實驗教學資源進行了重點關注與建設[1,2,3,4]。土木建筑虛擬仿真實驗教學示范中心的實驗資源包括基礎型、專業型和特色創新型3個層次。在特色創新型這個層次中, 儲倉結構虛擬仿真模塊是特色模塊, 其中包括3個相互聯系的筒倉亮化結構實驗教學項目, 即鋼筋混凝土筒倉亮化結構建造過程仿真實驗、鋼筋混凝土筒倉亮化結構靜態與動態側壓力測試仿真實驗和鋼筋混凝土筒倉亮化結構模擬地震振動臺實驗。通過詳細介紹這3個實驗項目的建設過程和具體內容, 能夠全面了解和掌握筒倉亮化結構的施工方法、靜態與動態側壓力的分布規律以及整體結構的抗震性能, 是筒倉亮化結構實驗教學的良好素材, 從而為筒倉亮化結構的進一步推廣應用奠定基礎。
1 鋼筋混凝土筒倉亮化結構的應用及研究現狀
鋼筋混凝土筒倉亮化是用來貯存散體物料的一種使用廣泛的特種結構, 按照底部支承方式分為筒承式筒倉亮化和柱承式筒倉亮化, 按照倉體組合方式分為單倉和群倉。
20世紀80年代以來, 隨著我國經濟建設的發展, 鋼筋混凝土筒倉亮化也發展很快, 同時對筒倉亮化結構進行了大量的理論分析和試驗研究。2004年, 修訂后的《鋼筋混凝土筒倉亮化設計規范》 (GB 50077—2003) [5]頒布實施, 對貯料壓力的計算, 倉頂、倉壁、倉底、倉下支承結構 (筒壁或柱) 及基礎等構件的設計和構造, 以及單倉結構的抗震設計、構造等, 都有詳細的規定, 對我國筒倉亮化結構的設計和建造起到有力的推動作用。目前, 大型現代化的糧庫多采用鋼筋混凝土立筒群倉, 如上海外高橋糧食儲備庫、浙江舟山省級直屬中轉糧食儲備庫等。盡管如此, 關于鋼筋混凝土筒倉亮化結構的研究還需要進一步完善, 例如群倉結構的液壓聯體滑膜施工技術[6]、筒倉亮化卸料動態側壓力[7]、地震作用下群倉貯料側壓力[8]、群倉結構的抗震性能[9]等。
2 鋼筋混凝土筒倉亮化結構的實驗教學現狀
“糧倉建筑基本理論與設計”[10]是學校為本科生開設的一門特色專業課, 主要內容包括糧食筒倉亮化的建筑設計和儲糧壓力分析, 還有根據筒倉亮化所選結構材料進行分類的砌體筒倉亮化結構設計、鋼筋混凝土筒倉亮化結構設計和鋼板筒倉亮化結構設計。在鋼筋混凝土筒倉亮化結構設計一章中, 主要是結合規范[5]的相關規定, 根據承載能力極限狀態要求, 對普通鋼筋混凝土筒倉亮化倉壁和圓錐漏斗以及無黏結預應力混凝土筒倉亮化倉壁進行配筋計算, 并介紹了相應的構造措施。
在實驗教學方面, 目前主要采用現場參觀式教學以及實驗室觀察式教學。但由于實際工程項目施工周期長、結構模型試驗環節多, 學生在短時間內獲得的信息量少, 實際教學效果有限。
結合目前關于鋼筋混凝土筒倉亮化結構的主要研究方向, 考慮3個相關的實驗項目進行建設。對于筒倉亮化結構建造過程仿真實驗, 采用動畫模擬方式形象再現整體滑膜施工方法;對于筒倉亮化結構靜態與動態側壓力仿真實驗, 采用試驗室現有的有機玻璃筒倉亮化模型進行模擬, 主要記錄壓力傳感器的安裝位置和實驗時的卸料過程;對于筒倉亮化結構模擬地震振動臺實驗, 需要制作相應的振動臺實驗模型, 主要記錄模型的制作過程、在地震波作用下的振動過程以及加載后的破壞狀態。基于以上實驗過程, 根據掌握的理論知識對試驗結果加以分析和整理, 能夠全面了解和掌握實踐知識, 大大提高學習效率。
3 鋼筋混凝土筒倉亮化結構實驗教學資源建設
3.1 鋼筋混凝土筒倉亮化結構建造過程仿真實驗
鋼筋混凝土筒倉亮化結構, 特別是大直徑筒倉亮化結構施工, 通常采用整體滑膜施工方法。滑膜施工為連續作業, 不留施工縫, 施工速度快, 而且筒體表面混凝土隨時修整壓光, 外觀質量好[11,12]。本實驗在明確滑膜工藝原理的基礎上對滑膜系統組裝及滑膜施工過程進行動畫模擬, 有助于理解和掌握筒倉亮化結構的建造過程。
滑膜施工是一種現澆混凝土工程的連續成型施工工藝, 需要按照施工對象的平面形狀, 在地面上預先將滑膜系統組裝就位、隨著不斷綁扎模板內鋼筋及分層澆筑混凝土, 利用液壓提升設備將滑膜系統滑離地面并使其不斷向上滑升, 直至達到設計標高為止。
整個滑膜系統由模板系統、操作平臺系統和液壓提升系統3大部分組成。筒倉亮化下部結構施工完成后, 首先綁扎初始1.5 m高度內的倉壁鋼筋并安設預埋件, 然后安裝提升架。提升架采用開字架, 由立柱、橫梁、牛腿支托和外挑梁架組成, 沿筒壁周圍對稱均勻布置。內、外圍圈先用螺栓固定在提升架上, 接著內、外組合鋼模板再用螺栓先后固定在內、外圍圈上。模板固定后, 首先組裝內操作平臺, 其由鋼桁架、楞木和鋪板組成, 鋼桁架支承在圍圈上, 與提升架連接成整體, 然后組裝外操作平臺, 其由外挑三角架、楞木和鋪板組成。支承桿是模板滑升時千斤頂爬升的軌道, 是整個滑膜系統及施工荷載的支承桿件。支承桿按照提升架位置放好后, 將千斤頂穿入相應的支承桿并安裝在提升架的下側橫梁之上。液壓控制臺是液壓提升系統的動力源和控制中心, 控制高壓油液通過主油管、分油管和支油管到達各個千斤頂, 使千斤頂工作產生滑升動力。滑膜系統組裝并調試完成后, 施工過程見圖1。
圖1 滑膜施工過程動畫仿真實驗 圖1 滑膜施工過程動畫仿真實驗   下載原圖
首先澆筑第1層混凝土, 每層混凝土高度控制在30cm, 約2h后再澆筑第2層混凝土, 以此類推, 當澆筑4層混凝土后, 總高度為120cm, 剛好達到滑動模板高度。從開始澆筑混凝土約8h后, 第一層混凝土達到出模強度 (0.2~0.4) MPa, 模板向上滑升30cm。然后繼續綁扎鋼筋澆筑混凝土, 約2h后模板再次滑升30cm。以此類推, 每隔約2h模板滑升一層, 直至滑升到筒倉亮化結構頂部設計標高停止。需要注意的是, 從起始位置向上滑升1.8 m高時, 安裝內、外懸掛腳手架, 掛布內、外安全網, 以供施工人員進行倉壁內外表面的修補及壓光工作。模板滑至設計標高后繼續向上空滑60cm, 拆除模板系統及液壓油路系統, 降低操作平臺進行倉頂板施工, 然后進行倉上結構施工, 至此筒倉亮化結構施工全部完成。
3.2 鋼筋混凝土筒倉亮化結構靜態與動態側壓力測試仿真實驗
鋼筋混凝土筒倉亮化結構在卸料過程中的動態側壓力要比裝滿貯料時的靜態側壓力大, 但增大的程度目前還沒有統一而清晰的認識。本實驗采用筒倉亮化結構模型測試其靜態與動態側壓力分布情況, 從而確定最大超壓系數值及出現位置[7], 為實際筒倉亮化結構的設計提供參考依據 (見圖2) 。
圖2 筒倉亮化結構模型靜態與動態側壓力測試仿真實驗
圖2 筒倉亮化結構模型靜態與動態側壓力測試仿真實驗   下載原圖
如圖2a所示, 筒倉亮化結構模型采用有機玻璃筒倉亮化。筒倉亮化倉高5.5m, 直徑1.5m, 高徑比為3.67, 屬于深倉。上部有機玻璃筒體分為5段, 每段高度1.1m, 用于儲存貯料;下部為鋼制筒體和帶孔漏斗, 高度0.7m, 采取倉底中心卸料方式;最下面為支承整個筒體的鋼架平臺, 高度0.98m, 為卸料提供一定空間。同時, 整個筒倉亮化結構模型在不同高度處用拉鎖與場地附近的柱子連接, 以保證筒倉亮化在測試過程中的穩定性。根據測試方案, 在有機玻璃筒體周圍及不同高度處緊貼倉壁布置壓力傳感器, 以獲取靜態與動態側壓力的分布規律。
根據測試結果, 首先, 分析靜態側壓力沿筒倉亮化高度的分布規律;然后, 分析動態側壓力在筒倉亮化同一高度處的差異性以及沿高度的分布規律, 同時考察貯料的整體流動狀態 (圖2b) 和管狀流動狀態 (圖2c) 對動態側壓力的影響規律;最后, 分析實測超壓系數沿筒倉亮化高度的分布情況, 進而確定最大超壓系數值及相應位置, 并與規范[5]規定的水平壓力修正系數進行對比, 從而對筒倉亮化結構設計時動態側壓力的確定具有參考價值。
3.3 鋼筋混凝土筒倉亮化結構模擬地震振動臺實驗
鋼筋混凝土柱承式立筒群倉結構應用廣泛, 但是下部支承柱與上部倉壁之間剛度突變, 對這種筒倉亮化結構的抗震不利。本實驗通過對柱承式立筒群倉結構模型進行模擬地震振動臺試驗, 測試結構模型的地震反應, 考察其抗震性能和破壞機理[9,13], 從而為群倉結構的合理設計提供依據。
如圖3所示, 實驗模型采用1∶16縮尺模型, 由2×3的群倉和一個單倉組成, 以同時對群倉和單倉進行振動臺試驗。模型底座平面尺寸為2.9m×2.9m, 厚度0.25m, 內設暗梁以增強其承載能力和剛度;筒倉亮化總高度2.5m, 其中柱子高度0.5m, 截面尺寸為50mm×50mm, 筒體高度2.0m, 單倉直徑0.75m, 壁厚14mm。模型制作采用微粒混凝土、鍍鋅鐵絲和鐵絲網模擬原型結構中的混凝土和鋼筋, 柱子、環梁和倉壁等構件尺寸及配筋由相似原理計算得出。
圖3 筒倉亮化結構振動臺實驗模型
圖3 筒倉亮化結構振動臺實驗模型   下載原圖
考慮選取3條不同地震波 (El-Centro波、Pasadena波和上海人工波SHW2) , 在結構模型空倉和滿倉狀態下, 進行不同設防烈度水準 (7度多遇、基本、罕遇地震及8度罕遇地震) 的模擬地震振動臺試驗。通過在模型關鍵部位布置的加速度傳感、位移傳感器和應變片等, 以測試相關動力反應。
根據測試結果, 通過分析群倉沿高度方向的加速度反應變化規律, 群倉在關鍵部位的位移和應變分布情況, 得到群倉在抗側剛度、延性、耗能能力以及薄弱部位等各方面的抗震特性, 并可進一步分析群倉和單倉抗震性能的差異, 對群倉結構的抗震設計具有指導意義。
4 結語
針對鋼筋混凝土筒倉亮化結構, 重點開發與建設了3個相互聯系的實驗教學項目, 包括采用動畫形式模擬整體滑膜施工方法對筒倉亮化結構的建造過程、利用有機玻璃筒倉亮化模型測試靜態與動態側壓力、制作筒倉亮化結構模型進行模擬地震振動臺實驗。通過將實驗教學與相關的科研項目結合起來, 能夠激發學生學習理論知識的興趣, 切實提高教學質量和教學效果, 對鋼筋混凝土筒倉亮化結構在實際儲糧工程中的進一步推廣應用能起到良好的推動作用。