钢筋混凝土筒仓结构由于具有容量大、占地少、运行费用低、卸料通畅以及减少对环境污染和粉尘损失等优点, 随着建筑业的蓬勃发展, 越来越多地出现在诸如煤炭、水泥、粮食等的存储应用中。为促进钢筋混凝土筒仓结构的发展与应用, 国家颁布了相应的标准规范, 国内近年来不断有相关工程涌现, 得到越来越广泛的关注。

同时, 随着钢筋混凝土筒仓的高度、直径越来越大, 对筒仓顶盖的施工提出了更高要求。本文结合江苏某筒仓工程, 对大型煤筒仓顶盖支模架的设计与分析进行了探讨。

本工程圆形筒仓顶直径为21m, 结构设计为现浇钢筋混凝土梁板结构, 由1根环梁、4根横向主梁及次梁组成, 最大主梁截面为500mm×2 500mm, 跨度为20.36m, 楼板厚120~150mm, 结构顶标高为49.970m。筒仓顶盖结构平面及筒仓整体剖面如图1所示。

筒仓顶部分混凝土浇筑的模板支架需搭设在标高为9.800m的混凝土料斗平台上, 最高支模高度约40m, 梁截面尺寸较大, 集中线荷载大, 支模难点有: (1) 大梁截面大, 跨度超长, 属于重载、大空间混凝土高支模; (2) 支模高度约40m, 支架钢管用钢量大, 因此既要满足支模的安全性, 也要考虑经济性。

综合考虑本工程的结构特点以及实际情况, 采用扣件式钢管排架形式支模。500mm×2 500mm大梁分2次浇筑, 第1次浇筑1 500mm高;500mm×1 800mm大梁分2次浇筑, 第1次浇筑800mm高;排架立杆基本间距1 200mm×1 200mm, 局部略有调整, 步高为1 800mm, 每3步设置1道水平剪刀撑, 各层横杆均与筒壁顶紧;500mm×2 500mm大梁底部设置钢管桁架, 利用斜杆卸载至筒壁, 共设置2道主桁架, 主桁架间设置2道次桁架;在纵横向主次梁交接处共设置7个双钢管立柱加强点。同时, 考虑到模架支撑在料斗平台上, 不拆除料斗平台混凝土模板脚手架, 作为本阶段施工的临时支撑。方案设计如图2所示。

根据JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》, 可以发现本工程方案设计参数超限, 但考虑到该规范仅从常规脚手架工程出发, 未考虑本方案中钢管主、次桁架加强及局部双钢管立杆支撑等因素, 为从实际上认定本方案的安全合理性, 拟通过有限元软件建立支模架的三维有限元模型, 获得架体杆件真实的受力情况, 再根据GB50017—2003《钢结构设计规范》进行杆件验算。

采用SAP2000有限元软件, 建立支架整体有限元模型进行计算, 建立的有限元模型如图3所示。按照大梁叠浇工序, 将整个施工过程分为2个施工阶段:施工阶段1为浇筑结构标高为39.970m以下混凝土;施工阶段2为浇筑大梁叠合层及顶板混凝土。模型建立时, 同样考虑此2个施工阶段, 2个阶段架体结构一致, 仅由于大梁叠浇造成架体竖向力发生变化。对于施工阶段1, 将浇筑完的部分大梁线荷载转换至支架立杆集中力, 如图3b所示;对于施工阶段2, 将已浇筑部分大梁作为架体结构的顶梁, 共同承担部分荷载, 同时, 卸去施工阶段1立杆顶部竖向荷载, 以考虑后浇梁体、顶板等自重荷载的均布荷载代替, 如图3c所示。

根据支架实际尺寸建立整体模型, 钢管按照壁厚3.0mm计算, 弹性模量为2.06×10⁵N/mm², 钢材为Q235。水平杆与立杆连接为半刚性连接, 其抗扭转刚度取为3.5×10⁷N·mm/rad, 斜杆与立杆为铰接连接。

本阶段计算模型如图4所示, 以x-z剖面为例。

支架竖向最大位移U_z=3.7mm, 水平位移U_y=0.23mm, U_x=1.21mm;立杆底部最大轴力为14 500N, 斜撑杆双钢管最大轴力为39 000N。

对于立杆, 计算长度l₀=1 800, λ=l₀/i=1 800/15.9=113, 查规范得φ=0.496, N/φA=14 500/ (0.496×424) =69N/mm²<205N/mm², 立杆稳定性满足要求。

对于斜撑杆, 计算长度l₀=2 160, λ=l₀/i=2 160/15.9=132, 查规范得φ=0.386, N/φA=19 500/ (0.386×424) =119N/mm²<205N/mm², 斜撑杆稳定性满足要求。

本阶段计算模型如图5所示, 以y-z剖面为例。

支架竖向最大位移U_z=4.45mm, 斜撑杆双钢管最大轴力为5 300N, 立杆底部最大轴力为11 500N。

对于立杆, 计算长度l₀=1 800, λ=l₀/i=1 800/15.9=113, 查规范得φ=0.496, N/φA=11 500/ (0.496×424) =54N/mm²<205N/mm², 立杆稳定性满足要求。

对于斜撑杆, 根据施工阶段1计算, 明显可知稳定性满足要求。

针对大型煤筒仓顶盖混凝土施工中存在的高度高、跨度大、截面大等特点, 结合具体工程, 提出了钢管扣件式桁架加支撑形式的支模架方案, 在保证安全、经济的前提下, 有效解决了支模高度较高、荷载超重等工程难点, 并通过详细的计算分析确保本方案实施的可靠性。