大型钢筒仓亮化

河南工业大学是我国粮食工程类的特色高校, 在建筑工程结构领域, 特别是在粮食储仓结构的教学、研究和工程应用方面实力雄厚。近年来, 由于钢筋混凝土筒仓亮化占地面积小、仓容量大、疏通费用低、便于机械化作业等优点, 在粮食部门得到广泛应用。根据《教育信息化十年发展规划 (2011—2020年) 》的要求, 学校在建设土木建筑虚拟仿真实验教学示范中心的过程中, 结合自身在筒仓亮化结构方面的教育优势, 对钢筋混凝土筒仓亮化结构的实验教学资源进行了重点关注与建设[1,2,3,4]。土木建筑虚拟仿真实验教学示范中心的实验资源包括基础型、专业型和特色创新型3个层次。在特色创新型这个层次中, 储仓结构虚拟仿真模块是特色模块, 其中包括3个相互联系的筒仓亮化结构实验教学项目, 即钢筋混凝土筒仓亮化结构建造过程仿真实验、钢筋混凝土筒仓亮化结构静态与动态侧压力测试仿真实验和钢筋混凝土筒仓亮化结构模拟地震振动台实验。通过详细介绍这3个实验项目的建设过程和具体内容, 能够全面了解和掌握筒仓亮化结构的施工方法、静态与动态侧压力的分布规律以及整体结构的抗震性能, 是筒仓亮化结构实验教学的良好素材, 从而为筒仓亮化结构的进一步推广应用奠定基础。
1 钢筋混凝土筒仓亮化结构的应用及研究现状
钢筋混凝土筒仓亮化是用来贮存散体物料的一种使用广泛的特种结构, 按照底部支承方式分为筒承式筒仓亮化和柱承式筒仓亮化, 按照仓体组合方式分为单仓和群仓。
20世纪80年代以来, 随着我国经济建设的发展, 钢筋混凝土筒仓亮化也发展很快, 同时对筒仓亮化结构进行了大量的理论分析和试验研究。2004年, 修订后的《钢筋混凝土筒仓亮化设计规范》 (GB 50077—2003) [5]颁布实施, 对贮料压力的计算, 仓顶、仓壁、仓底、仓下支承结构 (筒壁或柱) 及基础等构件的设计和构造, 以及单仓结构的抗震设计、构造等, 都有详细的规定, 对我国筒仓亮化结构的设计和建造起到有力的推动作用。目前, 大型现代化的粮库多采用钢筋混凝土立筒群仓, 如上海外高桥粮食储备库、浙江舟山省级直属中转粮食储备库等。尽管如此, 关于钢筋混凝土筒仓亮化结构的研究还需要进一步完善, 例如群仓结构的液压联体滑膜施工技术[6]、筒仓亮化卸料动态侧压力[7]、地震作用下群仓贮料侧压力[8]、群仓结构的抗震性能[9]等。
2 钢筋混凝土筒仓亮化结构的实验教学现状
“粮仓建筑基本理论与设计”[10]是学校为本科生开设的一门特色专业课, 主要内容包括粮食筒仓亮化的建筑设计和储粮压力分析, 还有根据筒仓亮化所选结构材料进行分类的砌体筒仓亮化结构设计、钢筋混凝土筒仓亮化结构设计和钢板筒仓亮化结构设计。在钢筋混凝土筒仓亮化结构设计一章中, 主要是结合规范[5]的相关规定, 根据承载能力极限状态要求, 对普通钢筋混凝土筒仓亮化仓壁和圆锥漏斗以及无黏结预应力混凝土筒仓亮化仓壁进行配筋计算, 并介绍了相应的构造措施。
在实验教学方面, 目前主要采用现场参观式教学以及实验室观察式教学。但由于实际工程项目施工周期长、结构模型试验环节多, 学生在短时间内获得的信息量少, 实际教学效果有限。
结合目前关于钢筋混凝土筒仓亮化结构的主要研究方向, 考虑3个相关的实验项目进行建设。对于筒仓亮化结构建造过程仿真实验, 采用动画模拟方式形象再现整体滑膜施工方法;对于筒仓亮化结构静态与动态侧压力仿真实验, 采用试验室现有的有机玻璃筒仓亮化模型进行模拟, 主要记录压力传感器的安装位置和实验时的卸料过程;对于筒仓亮化结构模拟地震振动台实验, 需要制作相应的振动台实验模型, 主要记录模型的制作过程、在地震波作用下的振动过程以及加载后的破坏状态。基于以上实验过程, 根据掌握的理论知识对试验结果加以分析和整理, 能够全面了解和掌握实践知识, 大大提高学习效率。
3 钢筋混凝土筒仓亮化结构实验教学资源建设
3.1 钢筋混凝土筒仓亮化结构建造过程仿真实验
钢筋混凝土筒仓亮化结构, 特别是大直径筒仓亮化结构施工, 通常采用整体滑膜施工方法。滑膜施工为连续作业, 不留施工缝, 施工速度快, 而且筒体表面混凝土随时修整压光, 外观质量好[11,12]。本实验在明确滑膜工艺原理的基础上对滑膜系统组装及滑膜施工过程进行动画模拟, 有助于理解和掌握筒仓亮化结构的建造过程。
滑膜施工是一种现浇混凝土工程的连续成型施工工艺, 需要按照施工对象的平面形状, 在地面上预先将滑膜系统组装就位、随着不断绑扎模板内钢筋及分层浇筑混凝土, 利用液压提升设备将滑膜系统滑离地面并使其不断向上滑升, 直至达到设计标高为止。
整个滑膜系统由模板系统、操作平台系统和液压提升系统3大部分组成。筒仓亮化下部结构施工完成后, 首先绑扎初始1.5 m高度内的仓壁钢筋并安设预埋件, 然后安装提升架。提升架采用开字架, 由立柱、横梁、牛腿支托和外挑梁架组成, 沿筒壁周围对称均匀布置。内、外围圈先用螺栓固定在提升架上, 接着内、外组合钢模板再用螺栓先后固定在内、外围圈上。模板固定后, 首先组装内操作平台, 其由钢桁架、楞木和铺板组成, 钢桁架支承在围圈上, 与提升架连接成整体, 然后组装外操作平台, 其由外挑三角架、楞木和铺板组成。支承杆是模板滑升时千斤顶爬升的轨道, 是整个滑膜系统及施工荷载的支承杆件。支承杆按照提升架位置放好后, 将千斤顶穿入相应的支承杆并安装在提升架的下侧横梁之上。液压控制台是液压提升系统的动力源和控制中心, 控制高压油液通过主油管、分油管和支油管到达各个千斤顶, 使千斤顶工作产生滑升动力。滑膜系统组装并调试完成后, 施工过程见图1。
图1 滑膜施工过程动画仿真实验 图1 滑膜施工过程动画仿真实验   下载原图
首先浇筑第1层混凝土, 每层混凝土高度控制在30cm, 约2h后再浇筑第2层混凝土, 以此类推, 当浇筑4层混凝土后, 总高度为120cm, 刚好达到滑动模板高度。从开始浇筑混凝土约8h后, 第一层混凝土达到出模强度 (0.2~0.4) MPa, 模板向上滑升30cm。然后继续绑扎钢筋浇筑混凝土, 约2h后模板再次滑升30cm。以此类推, 每隔约2h模板滑升一层, 直至滑升到筒仓亮化结构顶部设计标高停止。需要注意的是, 从起始位置向上滑升1.8 m高时, 安装内、外悬挂脚手架, 挂布内、外安全网, 以供施工人员进行仓壁内外表面的修补及压光工作。模板滑至设计标高后继续向上空滑60cm, 拆除模板系统及液压油路系统, 降低操作平台进行仓顶板施工, 然后进行仓上结构施工, 至此筒仓亮化结构施工全部完成。
3.2 钢筋混凝土筒仓亮化结构静态与动态侧压力测试仿真实验
钢筋混凝土筒仓亮化结构在卸料过程中的动态侧压力要比装满贮料时的静态侧压力大, 但增大的程度目前还没有统一而清晰的认识。本实验采用筒仓亮化结构模型测试其静态与动态侧压力分布情况, 从而确定最大超压系数值及出现位置[7], 为实际筒仓亮化结构的设计提供参考依据 (见图2) 。
图2 筒仓亮化结构模型静态与动态侧压力测试仿真实验
图2 筒仓亮化结构模型静态与动态侧压力测试仿真实验   下载原图
如图2a所示, 筒仓亮化结构模型采用有机玻璃筒仓亮化。筒仓亮化仓高5.5m, 直径1.5m, 高径比为3.67, 属于深仓。上部有机玻璃筒体分为5段, 每段高度1.1m, 用于储存贮料;下部为钢制筒体和带孔漏斗, 高度0.7m, 采取仓底中心卸料方式;最下面为支承整个筒体的钢架平台, 高度0.98m, 为卸料提供一定空间。同时, 整个筒仓亮化结构模型在不同高度处用拉锁与场地附近的柱子连接, 以保证筒仓亮化在测试过程中的稳定性。根据测试方案, 在有机玻璃筒体周围及不同高度处紧贴仓壁布置压力传感器, 以获取静态与动态侧压力的分布规律。
根据测试结果, 首先, 分析静态侧压力沿筒仓亮化高度的分布规律;然后, 分析动态侧压力在筒仓亮化同一高度处的差异性以及沿高度的分布规律, 同时考察贮料的整体流动状态 (图2b) 和管状流动状态 (图2c) 对动态侧压力的影响规律;最后, 分析实测超压系数沿筒仓亮化高度的分布情况, 进而确定最大超压系数值及相应位置, 并与规范[5]规定的水平压力修正系数进行对比, 从而对筒仓亮化结构设计时动态侧压力的确定具有参考价值。
3.3 钢筋混凝土筒仓亮化结构模拟地震振动台实验
钢筋混凝土柱承式立筒群仓结构应用广泛, 但是下部支承柱与上部仓壁之间刚度突变, 对这种筒仓亮化结构的抗震不利。本实验通过对柱承式立筒群仓结构模型进行模拟地震振动台试验, 测试结构模型的地震反应, 考察其抗震性能和破坏机理[9,13], 从而为群仓结构的合理设计提供依据。
如图3所示, 实验模型采用1∶16缩尺模型, 由2×3的群仓和一个单仓组成, 以同时对群仓和单仓进行振动台试验。模型底座平面尺寸为2.9m×2.9m, 厚度0.25m, 内设暗梁以增强其承载能力和刚度;筒仓亮化总高度2.5m, 其中柱子高度0.5m, 截面尺寸为50mm×50mm, 筒体高度2.0m, 单仓直径0.75m, 壁厚14mm。模型制作采用微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网模拟原型结构中的混凝土和钢筋, 柱子、环梁和仓壁等构件尺寸及配筋由相似原理计算得出。
图3 筒仓亮化结构振动台实验模型
图3 筒仓亮化结构振动台实验模型   下载原图
考虑选取3条不同地震波 (El-Centro波、Pasadena波和上海人工波SHW2) , 在结构模型空仓和满仓状态下, 进行不同设防烈度水准 (7度多遇、基本、罕遇地震及8度罕遇地震) 的模拟地震振动台试验。通过在模型关键部位布置的加速度传感、位移传感器和应变片等, 以测试相关动力反应。
根据测试结果, 通过分析群仓沿高度方向的加速度反应变化规律, 群仓在关键部位的位移和应变分布情况, 得到群仓在抗侧刚度、延性、耗能能力以及薄弱部位等各方面的抗震特性, 并可进一步分析群仓和单仓抗震性能的差异, 对群仓结构的抗震设计具有指导意义。
4 结语
针对钢筋混凝土筒仓亮化结构, 重点开发与建设了3个相互联系的实验教学项目, 包括采用动画形式模拟整体滑膜施工方法对筒仓亮化结构的建造过程、利用有机玻璃筒仓亮化模型测试静态与动态侧压力、制作筒仓亮化结构模型进行模拟地震振动台实验。通过将实验教学与相关的科研项目结合起来, 能够激发学生学习理论知识的兴趣, 切实提高教学质量和教学效果, 对钢筋混凝土筒仓亮化结构在实际储粮工程中的进一步推广应用能起到良好的推动作用。