超大直径筒仓仓顶现浇混凝土施工悬吊支撑桁架安全分析.docx

超大直径筒仓仓顶现浇混凝土施工悬吊支撑 桁 架 安 全 分 析李勤山1，3王铁成1，2赵海龙1，2( 1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072; 2. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072;3. 平煤神马建工集团有限公司，河南平顶山467000)摘 要: 以旋转盘口式扣件钢管桁架支撑体系为研究对象，针对筒仓施工中支撑平台可能出现的局部拉索或杆件失效，利用 ANSYS 软件建立剩余结构有限元模型并进行数值分析。考虑两种最不利施工工况: 局部 拉索失效，分析局部受力杆件失效时结构的承载能力。分析结果表明: 当第一圈拉力最大的悬吊钢绞线失效 后，其余钢绞线通过应力重分 布，使桁架竖向位移略有增加，钢绞线应力增大，但 仍 能提供桁架承担施工荷 载; 当桁架下弦杆中应力最大的杆件失效、桁架上弦杆和斜杆失效后，对结构影响都较小，不影响结构承担施 工荷载，支撑体系具有较高的安全性。关键词: 筒仓仓顶; 旋转盘口; 支撑体系; 承载力; 失效DOI: 10. 13204 / j gyjz201501029THE SAFETY ANALYSIS OF SUSPENSION SUPPOT TUSS ON TOP OFLAGE-DIAMETE SILO UNDE CONCETE CONSTUCTIONLi Qinshan1，3Wang Tiecheng1，2Zhao Hailong1，2( 1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety ( Tianjin University) ，Ministry of Education，Tianjin 300072，China;3. Pingmei Shenma Construction Engineering Group Ltd，Pingdingshan 467000，China)Abstract: The steel-tube truss supporting system made of rotating-fastening members was studied，a FE model of theremaining structural model was established by ANSYS software to do experimental research and analyze local cablefailure or member failure of the support platform during silo construction，which would occur Two of the mostunfavorable conditions of construction were considered，one was the bearing capacity of the structure when local cablefailed，the other was local stressed member failure The results showed that when failure occurred in the first lapsuspension strand with maximum tension，the rest of the strand through the stress redistribution，truss verticaldisplacement increased slightly，strand stress increased，which could still provide truss to undertake constructionload There would be less impact after the members with largest stresses of the bottom chord，as well as the upperchord and the diagonals of the truss failed，which could not influence the ability of the structure to bear constructionloads，hence the support system has a higher securityKeywords: top of silo; rotating-fastening; supporting system; bearing capacity; failure近年来，超大直径筒仓在煤炭行业得到大量应用，解决了煤炭储存和环境保护的问题，具有良好的 社会效益和经济效益，并且拥有良好的工程应用前 景。结合超大直径、超高筒仓仓顶结构施工问题，研 发了两端旋转盘口扣件的钢管杆件，并由杆件组成 筒仓仓顶施工的桁架支撑体系。旋转盘口式扣件钢 管桁架支撑体系作为筒仓的一种新型支撑体系，具 有跨度大，安全性高，承载能力强，安装和拆卸施工 周期短，可重复利用，经济性好等优势，逐步得到了应用，但对该支撑体系的理论分析较少，设计方法还不完善。因此，文献1 6对旋转盘口式扣件钢管 桁架构件和支撑体系承载力与 变形进行了试验研 究。结果表明: 中部扣件受拉组试件拉伸破坏的原 因皆与焊缝有关; 两端扣件受拉试件组断面发生颈 缩现象，承载力满足要求; 压缩杆件均发生不同程度第一作者: 李勤山，男，1966 年出生，博士研究生，教授级高级工程师。电子信箱: pmjglqs 126 com收稿日期: 2014 08 27143Industrial Construction Vol. 45，No. 1，2015工业建筑 2015 年第 45 卷第 1 期荷载; 3 ) 支 座 节点根据具体情况假设为弹性支 承8。考虑到实际施工情况与有限元模拟的差距，采用刚度折减的方法来考虑连接杆件的连接间隙、 初始缺陷、施工误差等因素的影响。通过比较分析， 最终取折减 系 数 0. 609。分析时按最不利情况考 虑，将所有荷载全部施加在小环梁投影区域内。钢 绞线采用 Link 10 单元模拟，每根钢绞线划分为 1 个 单元，有限元模型如图 1 所示。的压弯失稳; 受压球节点与钢管连接的焊缝附近相对薄弱。采用 ANSYS 有限元软件建立支撑体系模 型，对桁架支撑体系进行承载能力和变形性能的分 析，确定了旋转盘口式扣件桁架的最大承载力、桁架 高度、弦杆长度等对承载力有显著影响的参数; 通过 现场加载的足尺试验验证表明，桁架受力和变形规 律的有限元分析结果与试验结果基本一致，承载和 变形性能较好7。基于此，通过对 30 m 超大直径支撑体系优化分 析，确定最优的悬吊施工方案，在选取从外向内三圈 分别悬吊钢绞线数量为 60，36 和 20 根的优化方案 的基础上，考虑应力最大的拉索失效，计算桁架能否 继续提供足够的承载力，此外考虑应力最大的杆件 失效后，对结构的影响。并对其施工过程的悬吊安 全性进行分析，为实际工程应用提供理论和试验依 据，为同类筒仓施工提供一定参考。1工程概况某工程为一座内径 30 m 的圆形煤仓，基础为钢 筋混凝土筏板基础，仓壁为后张法无黏结预应力钢 筋混凝土筒 壁 结 构。单 仓 容 量 为 30 000 t，建 筑 物 总高度 71 m。标高 + 53. 550 m( 环梁截面) 处为环 梁上平面，截面尺寸 800 mm 2 000 mm。锥壳与水 平面夹 角 为 45，锥 壳 厚 度 为 450 mm，锥 壳 顶 环 梁a平面; b立面图 1 钢管桁架支撑体系有限元模型Fig 1 The finite element model of steel truss support system对桁架支撑体系钢绞线连接处的节点进行受压强度验算，图 2 和图 3 为支撑体系钢绞线的拉力，由 图 3 可以看出，有最大拉力钢绞线的位置，呈中心对 称变化，这时支撑体系满足承载力要求。图 4 和图5 为支撑体系钢绞线的应力，由图 5 可以看出，有最 大应力钢绞线的位置，呈中心对称变化。截面 尺 寸 800mm 2 000mm，主 梁 截 面 尺 寸 为600 mm 1 400 mm，仓顶混凝土强度等级为 C40。仓顶混凝土浇筑主要分四个施工阶段，第一阶段为大环梁混凝土浇筑，此部分荷载传递到仓壁上，不考 虑; 第 二 阶 段 是 斜 锥 壳 下 4 /5 混 凝 土 浇 筑，共 计203. 15 m3 ，即加载 5 282 kN; 第三阶段是剩余斜锥 壳及小环梁混凝土浇筑，施工至斜锥壳相交斜面标 高 + 58. 950 m 处，共计 115. 4 m3 ，加载 3 004 kN; 第 四阶段是平台梁板混凝土施工，共计 104. 09 m3 ，加 载 2 706 kN。其中第二施工阶段和第三阶段浇筑的 混凝土最多，故选取这两次浇筑时的支撑体系进行 受力分析。图 2 钢管桁架支撑体系钢绞线拉力 NFig 2 The steel strand tension of steel truss support system2模型设计采用 ANSYS 进行 30 m 筒仓有限元建模分析，桁架弦 杆和腹杆均采用 48 3. 5 钢 管，材 质 为Q345。空间钢管桁架是一种空间杆件体系，建模主要采用以下三点假设: 1) 假设所有节点均为铰接连接，即杆件只承受轴向力，由于是施工分析，所以属于弹性分析; 2 ) 结构的荷载均按静力等效原则，将 节点所辖区域内的荷载化为作用于该节点上的集中图 3 钢管桁架支撑体系钢绞线最大拉力 NFig 3 The maximum tension of the strand of steel truss support system144工业建筑 2015 年第 45 卷第 1 期图 4 钢管桁架支撑体系钢绞线应力 MPaFig 4 Stress diagram of steel strand of steel truss support system图 7 钢绞线在支撑体系上的连接位置Fig 7 Connection location of strand on the support system绞线完整时变形规律一致，如图 8 所示，竖向最大位移增大 2. 37 mm。与拉索完好时结果对比如表 1。当第一圈应力最大的钢绞线失效 后，最 大 拉 力 为94. 95 kN小于抗拉承载力标准值 N 为169. 037 kN， 满足承载力的要求。支撑体系钢绞线的钢索抗拉强 度值为 339 MPa，根据 CECS 212 2006预应力钢结构 技术规程10规定，拉索强度的设计值不应大于索材极限抗拉强度的 40% 55% ，重要索取低值，次要索 取高值，故 与 1 860 MPa 40% = 744 MPa 相 比 较 可 知，钢绞线的抗拉强度满足要求。图 5 钢管桁架支撑体系钢绞线最大应力 MPaFig 5 The maximum stress of steel strand of steel truss support system3模型分析根据前期模型设计，钢绞线在仓壁与支撑体系上的连接位置 如 图 6、图 7 所 示。结合仓顶施工情 况，由于施工第二阶段和第三阶段浇筑的混凝土最多，故只选取这两次浇筑时的钢管桁架支撑体系进 行受力分析。考虑筒仓施工中两种情况可能导致最 不利施工工况: 局部拉索失效和局部受力杆件失效， 需要考虑应力最大的拉索失效和应力最大的杆件失 效对结构的影响。图 8 钢绞线失效钢管桁架支撑体系的变形( 第一圈)Fig 8 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of the first turn of strand表 1 第一圈钢绞线失效时的分析结果对比Table 1 The comparison of results of the analysis under the failure of the first turn of strand工况最大位移 / mm最大轴力 / kN最大应力 / MPa钢绞线完整第一根钢绞线失效 第二根钢绞线失效 第三根钢绞线失效下弦杆件失效 上弦杆件失效 斜杆件失效3. 365. 735. 776. 153. 373. 373. 3787. 5194. 95114. 34135. 4088. 0188. 1687. 56313339408484314315314同理，当第二根钢绞线失效、第三根钢绞线失效、上、下弦应力最大的杆件失效和斜杆中应力最大的杆 件失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，变形、竖向位移继续增大，但远小于 CECS 2122006 中的标准值。与拉索完好时结果对比如表 1 所示。可知: 支撑体系钢绞线的应力、钢索抗拉强度值均满足要求。当下弦应力最大的杆件失效时，通过对钢管桁 架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形如图9 所示。与拉索完好时结果对比如 表 1 所 示，可 见图 6 钢绞线拉在筒壁上的位置Fig 6 The location of the strand pulling on silo wall3. 1第二阶段模型分析按实际情况在支撑体系上施加荷载，先对第二阶段施工过程按最不利情况分析，将所有荷载全部施加在下 4 /5 锥壳投影区域内。荷载取 5 282 kN，施加在 支撑体系上直径 19. 2 30. 0 m 范围内。当第一圈拉 索中应力最大钢绞线失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形和竖向位移与钢145超大直径筒仓仓顶现浇混凝土施工悬吊支撑桁架安全分析李勤山，等当下弦应力最大的杆件失效时，对结构影响并不大。支撑体系钢绞线最大拉力为 88. 01 kN N ，这时支 撑体系满足承载力的要求。支撑体系钢绞线的钢索 抗拉强度值为 314 MPa 744 MPa，钢绞线的抗拉强 度也满足要求。图 12 钢绞线失效时，钢管桁架支撑体系的变形( 第二圈)Fig 12 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of the first turn of strand表 2 第二圈钢绞线失效时的分析结果对比Table 2 The comparison of results of the analysis under the failure of the second turn of strand图 9 下弦杆件失效时，钢管桁架支撑体系的变形Fig 9 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of bottom chord member工况最大位移 / mm最大轴力 / kN最大应力 / MPa钢绞线完整第一根钢绞线失效 第二根钢绞线失效3. 363. 913. 9887. 5198. 48101. 59313352363当上弦应力最大的杆件失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形如图10 所示，变形和竖向位移与结构 完整时基本一致， 相差极小，竖向位移增加0. 1 mm。与结构完好时结 果对比如表 1 所示。支撑体系钢绞线的最大拉力为88. 16 kN，支撑体系满足承载力 的 要 求。支 撑 体 系 钢绞线的钢索抗拉强度值为 315 MPa，钢绞线的 抗 拉强度也满足要求。同理，当第二根钢绞线失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形、竖向位 移、钢绞线拉力及抗拉强度与拉索完好时结果对比 如表 2 所示，均满足要求。3. 2 第三阶段模型分析当第一圈拉索中应力最大的钢绞线断裂时，通 过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到 其变形如图 13 所示，与拉索完好时结果对比如表 3 所示。支撑体系钢绞线的最 大 拉 力 为 115. 50 kN， 其钢索抗拉强度值为 413 MPa，均满足要求。图 10 上弦杆件失效时，钢管桁架支撑体系的变形Fig 10 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of upper chord member当斜杆中应力最大的杆件失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形如 图 11 所 示。与结构完好时结果对比如表 1 所 示。 支撑体系钢绞线的最大拉力为 87. 56 kN，支撑体系 满足承载力的要求; 支撑体系钢绞线的钢索抗拉强 度值为 313 MPa，钢绞线的抗拉强度也满足要求。图 13 钢绞线失效时，钢管桁架支撑体系的变形( 第一圈)Fig 13 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of the first turn of strand表 3 第一圈钢绞线失效时的分析结果对比Table 3 The comparison of results of the analysis under the failure of the first turn of strand工况最大位移 / mm最大轴力 / kN最大应力 / MPa钢绞线完整第一根钢绞线失效 第二根钢绞线失效 下弦杆件失效上弦杆件失效 斜杆件失效3. 393. 414. 333. 493. 523. 48114. 72115. 60133. 92120. 29120. 41120. 08410413478430430429图 11 斜杆失效时，钢管桁架支撑体系的变形Fig 11 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of diagonal当第二圈拉索中应力最大的钢绞线断裂时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到 其变形如图 12 所示，与拉索完好时结果对比如表 2 所示。支撑体系钢绞线的最大拉力为 98. 48 kN，满 足承载力的要求。支撑体系在有最大应力钢绞线的 位 置，呈 中 心 对 称 变 化，钢 索 抗 拉 强 度 值 为 352 MPa，抗拉强度也满足要求。146同理，当第二根钢绞线失效、下弦杆件失效、上弦杆件失效和斜杆件失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元 模 型 进 行 分 析，变 形、竖向位移继续增 大，但远小于 CECS 212 2006 中的标准值，与拉索完 好时结果对 比 见 表 3。支 撑 体 系 钢 绞 线 的 应 力，钢 索抗拉强度值均满足要求。工业建筑 2015 年第 45 卷第 1 期当第二圈应力最大的钢绞线断裂时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形如图14 所示，与拉索完好时结果对比如表 4 所示。支撑 体系钢绞线的最大拉力为 130. 57 kN，其钢索抗拉强 度值为 466 MPa，均满足要求。422 MPa，钢绞线的抗拉强度也满足要求。同理，当第二根钢绞线失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形、竖向位 移，与拉索完好时结果对比如表 5 所示。支撑体系 钢绞线的拉力和应力均满足要求。4结 论1) 在第二阶段施工时，当第一圈拉力最大的悬吊钢绞线失效后，其余钢绞线通过应力重分布，桁架竖向位移略有增加，钢绞线应力增大，但仍能提供桁 架承担施工荷载。2) 当桁架下弦杆中应力最大的杆件失效后，对 结构影响较小，桁架竖向位移和钢绞线应力基本不 变。同理，桁架上弦杆和斜杆失效后，对结构影响都 较小，不影响结构承担施工荷载。3) 本文 研究的桁架支撑体系具有很大 的 安 全 储备。在施工过程中，当悬吊钢绞线或杆件出现失 效时，剩余结构可以通过内力重分布继续承载，具有 足够的安全性。图 14 钢绞线失效时钢管桁架支撑体系的变形( 第二圈)Fig 14 Deformation of the steel truss support systemunder the failure of the second turn of strand表 4 第二圈钢绞线失效时的分析结果对比Table 4 The comparison of results of the analysis under the failure of the second turn of strand工况最大位移 / mm最大轴力 / kN最大应力 / MPa钢绞线完整第一根钢绞线失效 第二根钢绞线失效3. 394. 245. 98114. 72130. 57151. 28410466540同理，当第二根钢绞线失效时，通过对钢管桁架支撑体系有限元模型进行分析，得到其变形、竖向位 移，与拉索完好时结果对比见表 4。支 撑 体 系 钢 绞 线的拉力和应力均满足要求。当第三 圈应力最大的钢绞线断裂时，通 过 对 钢管桁架 支撑体系有限元模型进行分析，得 到 其 变形如图 15 所示，与拉索完好时结果对比见表 5 。 支撑体系钢绞线的最大拉 力 为 118. 25 kN，这 时 支 撑体系满 足承载力的要求，其 钢 索 抗 拉 强 度 值 为参考文献李勤山，王铁成 大直径筒仓仓顶支撑体系的设计和施工C第 21 届全国结 构 工 程 学 术 会 议 论 文 集 第 册 沈 阳: 2012:416 419.Li Qinshan，Wang Tiecheng Based on the Point Cloud Data ofColumnar Structures to Tilt AnalysisJ Advanced Materialsesearch，2012，591 593: 607 1611.Li Qinshan， Wang Tiecheng Study of Building Design andeinforcement Technology Under the Mining Damag