孟文清，白 松，張亞鵬，崔邯龍，倪時(shí)華

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省結(jié)構(gòu)工程裝配式技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038；3.中煤建安公司七十三工程處，河北 邯鄲 056106)

隨著煤炭行業(yè)的飛速發(fā)展，煤礦筒倉(cāng)的直徑越來(lái)越大，其施工難度也不斷增大，尤其在倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工時(shí)，對(duì)滑模剛性平臺(tái)承載能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的搭設(shè)滿堂腳手架的施工方法[1-3]隨著筒倉(cāng)高度及直徑的增大，出現(xiàn)安全系數(shù)低、工期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題；柔性平臺(tái)具有重量輕，提升動(dòng)力小、成本低等特點(diǎn)[4，5]，但其僅可滿足20m左右直徑筒倉(cāng)施工要求；利用輻射梁剛性平臺(tái)[6-9]、鋼桁架式操作平臺(tái)[10-12]作為支撐體系，只適用于30m直徑以下的筒倉(cāng)倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)施工，在大直徑筒倉(cāng)倉(cāng)頂施工時(shí)上部需設(shè)置拉索，下部設(shè)置中心井架來(lái)提高承載能力，產(chǎn)生了多次澆筑、工期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。筒倉(cāng)滑模剛性平臺(tái)模塊化的創(chuàng)新性發(fā)展，解決了傳統(tǒng)滑模剛性平臺(tái)通用性低以及浪費(fèi)的問(wèn)題，但模塊化剛性平臺(tái)的承載能力還有待進(jìn)一步研究；空間管桁架結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，空間利用率高，在大跨度結(jié)構(gòu)中作為受力構(gòu)件應(yīng)用廣泛[15-19]，但目前，針對(duì)空間管桁架在大直徑筒倉(cāng)滑模施工平臺(tái)中的研究較少。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究一種模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)，通過(guò)對(duì)其一榀空間管桁架進(jìn)行足尺試驗(yàn)及有限元分析，研究這種結(jié)構(gòu)的受力性能。

1 模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)結(jié)構(gòu)

筒倉(cāng)模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)可有效利用空間結(jié)構(gòu)體系，既解決了有中心架的大直徑筒倉(cāng)剛性平臺(tái)施工工期長(zhǎng)、工序復(fù)雜的問(wèn)題，又改善了無(wú)中心架的大直徑筒倉(cāng)剛性平臺(tái)施工耗鋼量高、變形大的情況。穹頂式的結(jié)構(gòu)體系受力合理，各個(gè)桿件充分發(fā)揮作用，模塊化的設(shè)計(jì)能夠滿足不同直徑筒倉(cāng)的施工，避免了平臺(tái)的閑置與浪費(fèi)。

本模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)由八榀空間管桁架、中心環(huán)、環(huán)向支撐與拉桿組合而成，結(jié)構(gòu)高約8.5m，跨度為36m，構(gòu)件采用Q345鋼材[20]。模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)形式(mm)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)旨在研究單榀空間管桁架承載能力與破壞特征，為驗(yàn)證模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)在施工過(guò)程中承載能力要求提供數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)單榀空間管桁架有限元計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，探究結(jié)構(gòu)在既定約束條件下，有限元計(jì)算模型參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性；并根據(jù)單榀空間管桁架有限元計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定，確立整體穹頂平臺(tái)有限元計(jì)算模型，分析得到整個(gè)穹頂平臺(tái)的力學(xué)性能指標(biāo)。

2.1 單榀空間管桁架試件設(shè)計(jì)

2.1.1 架體設(shè)計(jì)

考慮環(huán)撐與中心環(huán)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力中的重要作用，本次取一榀空間管桁架及相連的環(huán)撐與中心環(huán)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。單榀空間管桁架跨度為15m，高8.5m。根據(jù)倉(cāng)頂錐殼結(jié)構(gòu)與倉(cāng)頂梁板結(jié)構(gòu)在剛性平臺(tái)上投影位置不同，將空間管桁架分兩個(gè)區(qū)段，一為中心區(qū)段，二為分叉區(qū)段。根據(jù)原結(jié)構(gòu)在倉(cāng)頂錐殼結(jié)構(gòu)荷載作用下位移情況，對(duì)單榀空間管桁架擬定邊界條件并進(jìn)行單榀空間管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，桿件截面型號(hào)主要采用?180mm×10mm、?159mm×8mm、?159mm×6mm、?140mm×4.5mm、?108×6mm、?83mm×8mm、?76mm×4mm、?60mm×3.5mm。

2.1.2 支座處理

對(duì)各處支座約束進(jìn)行處理：①底部設(shè)置板式支座，底部支座與圍檁連接，形成徑向滑動(dòng)鉸支座約束；②環(huán)撐與兩側(cè)構(gòu)筑物焊接連接，形成固定鉸支座約束；①中心環(huán)端部與豎向反力架焊接，形成固定鉸支座約束。

2.2 加載裝置及加載制度

2.2.1 試驗(yàn)荷載

以36m直徑筒倉(cāng)為施工背景，錐殼厚度為500mm，錐殼傾斜角為55°，上環(huán)梁直徑為21.8m，上環(huán)梁截面尺寸為0.9m×2m；倉(cāng)頂錐殼工況中永久荷載取值為：①平臺(tái)鋪板及檁條荷載取0.35kN/m2；②模板體系荷載取0.5kN/m2；③腳手架荷載0.5kN/m2；④鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)荷載取27kN/m3；施工活荷載取值為1.0kN/m2。恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.5。

本次試驗(yàn)通過(guò)倉(cāng)頂錐殼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)荷載在各區(qū)段的面荷載轉(zhuǎn)化為點(diǎn)荷載進(jìn)行加載，分叉區(qū)段面荷載設(shè)計(jì)值為33.8kN/m2，中心區(qū)段面荷載設(shè)計(jì)值為1.755kN/m2。

2.2.2 試驗(yàn)加載裝置

設(shè)計(jì)了一種結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)座、反力墻、反力架為一體的加載裝置—反力梁支撐體系。其傳力裝置具有足夠的剛度、承載力和整體穩(wěn)定性。加載器裝置采用千斤頂或倒鏈加載，一個(gè)千斤頂通過(guò)平衡梁對(duì)兩個(gè)加載點(diǎn)進(jìn)行加載。

2.2.3 加載制度

試驗(yàn)每級(jí)加載20%設(shè)計(jì)荷載，靜置30min后讀數(shù)并繼續(xù)進(jìn)行加載，加載至第五級(jí)后減小級(jí)差進(jìn)行加載，每級(jí)加載10%設(shè)計(jì)荷載?？紤]到原荷載較大以及加載設(shè)備能力情況，本次試驗(yàn)加載至第十級(jí)，以驗(yàn)證桁架的承載能力。試驗(yàn)每級(jí)加載設(shè)計(jì)荷載百分比為：第一級(jí)20%，第二級(jí)40%，第三級(jí)60%，第四級(jí)80%，第五級(jí)100%，第六級(jí)110%，第七級(jí)120%，第八級(jí)130%，第九級(jí)140%，第十級(jí)150%。

2.3 量測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合SAP2000、STCAD有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，提出量測(cè)方案。根據(jù)最大荷載作用下應(yīng)力分布趨勢(shì)，在應(yīng)力較大桿件及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處桿件布置5個(gè)應(yīng)力測(cè)區(qū)，同時(shí)進(jìn)行對(duì)照組應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置，共計(jì)9個(gè)應(yīng)力測(cè)區(qū)。其中分叉點(diǎn)2下弦節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)區(qū)編號(hào)為J4，上弦節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)區(qū)編號(hào)為J5，拉桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZL1、ZL2，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2(a)所示；應(yīng)變觀測(cè)選用應(yīng)變片連接靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行觀測(cè)。為監(jiān)測(cè)單榀空間管桁架各區(qū)段跨中位移、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)位移及結(jié)構(gòu)最大位移點(diǎn)，共計(jì)布置17個(gè)位移監(jiān)測(cè)區(qū)。位移測(cè)區(qū)布置如圖2(b)所示；位移觀測(cè)采用電子位移計(jì)觀測(cè)。

圖2 量測(cè)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)初始階段結(jié)構(gòu)支座約束良好，單榀空間管桁架各部位正常工作，應(yīng)力、位移呈線性增長(zhǎng)。在加載至第五級(jí)荷載過(guò)程中，試驗(yàn)對(duì)象處于彈性階段且荷載傳遞良好。在進(jìn)行荷載最后一級(jí)加載過(guò)程中，加載裝置出現(xiàn)故障，但結(jié)構(gòu)各典型部位無(wú)屈曲、位移等現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)加載至第十級(jí)時(shí)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)屈曲破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

3.2 應(yīng)力變化

單榀空間管桁架應(yīng)力情況呈線性增長(zhǎng)。單榀空間管桁架下弦應(yīng)力監(jiān)測(cè)區(qū)J4應(yīng)力-荷載曲線如圖3(a)所示，上弦應(yīng)力監(jiān)測(cè)區(qū)J5應(yīng)力-荷載曲線如圖3(b)所示，拉桿ZL1、ZL2應(yīng)力-荷載曲線如圖3(c)所示。加載過(guò)程中應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)J4G1出現(xiàn)故障，失去參考意義。

管桁架下弦在加載至第九級(jí)過(guò)程中應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，第九級(jí)荷載下測(cè)得管桁架下弦應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)J4G2、J4G3拉應(yīng)力值達(dá)到峰值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)J4G2拉應(yīng)力值達(dá)到322MPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)J4G3拉應(yīng)力值為265MPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)J4G2應(yīng)力超過(guò)桿件容許應(yīng)力值，但是應(yīng)力依舊呈線性增長(zhǎng)，表明材料性能良好，結(jié)構(gòu)工作性能良好。

管桁架上弦應(yīng)力值基本呈線性增長(zhǎng)，在加載至第五級(jí)荷載后應(yīng)力出現(xiàn)一次應(yīng)力重分布變化，之后依舊呈線性增長(zhǎng)；在加載至第十級(jí)時(shí)上弦桿件監(jiān)測(cè)點(diǎn)J5G1、J5G2、J5G3壓應(yīng)力達(dá)到最大值，J5G1壓應(yīng)力值為-158.4MPa，J5G2為-115.5MPa，J5G3為-181.4MPa，均在桿件設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍內(nèi)。

拉桿外側(cè)應(yīng)力較大，拉桿各應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本呈線性增長(zhǎng)，由圖3(c)可知，在加載至第四級(jí)荷載后，拉桿定位梁出現(xiàn)相對(duì)滑移現(xiàn)象，使得拉桿應(yīng)力同比增大；第九級(jí)荷載下拉桿最大拉應(yīng)力為423MPa，可見(jiàn)桿件性能良好；在加載至第十級(jí)過(guò)程中，加載裝置出現(xiàn)故障，導(dǎo)致單榀空間管桁架應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

圖3 應(yīng)力-荷載曲線

3.3 位移變化

為體現(xiàn)架體豎向位移特征，根據(jù)位移測(cè)點(diǎn)布置圖2(a)，選取中心區(qū)段2、3、4豎向測(cè)點(diǎn)，分叉區(qū)段選取6、8、10、11豎向測(cè)點(diǎn)進(jìn)行豎向位移特征分析，經(jīng)初步觀察數(shù)據(jù)可知測(cè)點(diǎn)1-S無(wú)明顯位移產(chǎn)生，故不進(jìn)行分析。架體豎向位移-荷載曲線如圖4所示。根據(jù)量測(cè)方案，取12、15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析支座位移情況，12、15號(hào)徑向與環(huán)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)各加載級(jí)位移情況如圖5所示。

圖4 架體豎向位移-荷載曲線

圖5 支座位移-荷載曲線

由圖4可知，隨著荷載增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移逐漸增大；分叉點(diǎn)2處8-S測(cè)點(diǎn)為位移最大測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)位于單榀空間管桁架跨中位置，且該處承擔(dān)荷載較大，第五級(jí)荷載下8-S位移值為59.4mm，小于撓度容許值67.4mm，滿足規(guī)范要求；加載至第十級(jí)荷載時(shí)，8-S最大豎向位移值為104.72mm，結(jié)構(gòu)未破壞。10-S與11-S為同側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)顯示兩測(cè)點(diǎn)位移值相近，單榀空間管桁架同側(cè)分叉受力合理。

加載至第十級(jí)時(shí)，底部支座各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移達(dá)到最大點(diǎn)，支座12、15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大徑向位移分別為17.31mm、16.65mm，最大環(huán)向位移為-2.43mm、8.45mm(環(huán)向位移以逆時(shí)針為正)；由圖5中15-H數(shù)據(jù)曲線可見(jiàn)，15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)支座環(huán)向約束未達(dá)到理想狀態(tài)，出現(xiàn)較大的環(huán)向位移，實(shí)際工程中應(yīng)注意支座的約束情況，提高結(jié)構(gòu)安全性。

3.4 有限元計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

3.4.1 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

圖6 應(yīng)力分布(MPa)

采用通用有限元計(jì)算程序SAP2000，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析。計(jì)算單元采用桿單元，材料為理想的彈塑性材料，同時(shí)考慮了材料的非線性和幾何非線性。為驗(yàn)證單榀空間管桁架支座假定的有效性，對(duì)整體結(jié)構(gòu)與單榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析對(duì)比，在錐殼工況荷載作用下，兩結(jié)構(gòu)有限元值對(duì)比見(jiàn)表1、圖6所示。由表1可知，整體結(jié)構(gòu)在中心區(qū)段比單榀結(jié)構(gòu)豎向位移值大，而在分叉區(qū)段兩者值較為接近，尤其在8-S測(cè)點(diǎn)處，兩者基本相同；兩結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比如圖6所示，兩結(jié)構(gòu)中心區(qū)段弦桿為受壓桿件，分叉區(qū)段上弦桿受壓，下弦桿受拉，分叉點(diǎn)2處應(yīng)力較大；故在錐殼工況荷載下，單榀空間管桁架方案設(shè)計(jì)可以有效反映整體結(jié)構(gòu)受力與位移變化特征。

表1 結(jié)構(gòu)豎向位移值對(duì)比(mm)

圖7 有限元值與試驗(yàn)應(yīng)力對(duì)比

3.4.2 單榀空間管桁架結(jié)果對(duì)比

空間管桁架下弦J4監(jiān)測(cè)區(qū)與上弦J5監(jiān)測(cè)區(qū)有限元分析得到的應(yīng)力-荷載曲線與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖7(a)(b)所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較有限元分析值下弦應(yīng)力增長(zhǎng)情況，在相同荷載梯度下，應(yīng)力增長(zhǎng)較快，但依舊呈線性增長(zhǎng)。由圖7(b)可見(jiàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，上弦桿件測(cè)點(diǎn)的曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。由圖7(c)可見(jiàn)，在前四級(jí)加載過(guò)程中，拉桿應(yīng)力試驗(yàn)值與有限元值吻合良好；加載至第四級(jí)后，由于拉桿定位梁未能很好地固定拉桿，使得拉桿應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

如圖8(a)所示，通過(guò)有限元分析得到結(jié)構(gòu)架體豎向位移與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，各實(shí)測(cè)豎向位移均比有限元值大，最大豎向位移點(diǎn)8-S較有限元值明顯增大。支座徑向位移(12、15號(hào)徑向監(jiān)測(cè)點(diǎn))與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖8(b)所示，可見(jiàn)試驗(yàn)過(guò)程中，由于支座的基座圍檁剛度較高，支座徑向位移稍小于有限元值，但差距不大。

圖8 有限元值與試驗(yàn)位移對(duì)比

總體來(lái)看，結(jié)構(gòu)各部位正常工作，有限元分析計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但還存在一些不同，存在差異的原因主要是：

1)試驗(yàn)中與環(huán)撐連接的鋼立柱剛度小，實(shí)際未達(dá)到理想的固定鉸支座約束狀態(tài)，且部分支座的環(huán)向約束未達(dá)到理想狀態(tài)，造成同級(jí)荷載下，豎向位移及下弦桿應(yīng)力值試驗(yàn)值比有限元值大。

2)有限元計(jì)算模型是理想化的，未考慮單榀空間管桁架拼裝與就位時(shí)出現(xiàn)的初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力與位移監(jiān)控，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)基本吻合，證明足尺試驗(yàn)較好地反映了單榀空間管桁架的力學(xué)性能，有限元計(jì)算模型參數(shù)假定與實(shí)際試驗(yàn)對(duì)象相符，并且為模塊化穹頂式滑模剛性平臺(tái)有限元計(jì)算模型的建立提供借鑒意義。

2)試驗(yàn)過(guò)程中雖然出現(xiàn)與環(huán)撐連接的鋼立柱剛度較小，支座約束未達(dá)到理想狀態(tài)等情況，但試驗(yàn)加載至第五級(jí)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，加載至第十級(jí)時(shí)，結(jié)構(gòu)仍具有較高的承載能力，說(shuō)明實(shí)際單榀空間管桁架在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全可靠的；作為模塊化構(gòu)件重復(fù)使用，結(jié)構(gòu)體系具有較高的安全儲(chǔ)備性能。

3)根據(jù)試驗(yàn)得到的有效數(shù)據(jù)，建議在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)支座設(shè)置有效的約束，避免結(jié)構(gòu)受力方式發(fā)生改變，同時(shí)拉桿建議采用高強(qiáng)度材料，提高工程安全性。