大直径预应力筒仓滑模美化施工技术

0 引言
随着我国煤炭需求量的不断增加, 煤炭基础设施建设也在迅速发展, 超大型、环保型的储煤仓相继出现。山西大同煤矿集团有限责任公司同忻矿井选煤厂原煤仓工程是目前国内筒仓美化直径最大、高度最高的筒仓美化之一, 设计采用筒中筒结构体系, 漏斗以下为3层筒体, 漏斗以上为单筒。单仓内径为34 m, 壁厚450 mm, 建筑物地面以上总高度为66.400 m, 其中外筒高44.100 m, 单仓储煤量3.5万t。
主体筒壁施工采用单层刚性平台滑模施工工艺, 内、外筒同时滑升施工工艺, 在内筒滑升到顶后, 搭设中心筒脚手架作为平台的内支撑点。
1 方案选择
1.1 柔性滑模施工工艺
以往大直径筒仓美化仓顶结构多为钢结构, 筒壁施工时采取柔性平台进行滑模施工即可, 仓上钢结构在地面拼装好后用大吨位起重机吊装就位, 即可满足施工要求。本工程仓顶锥壳部分为钢筋混凝土结构, 自重大, 不可能采用吊装方案。所以需要在滑模完毕后, 搭设满堂脚手架支撑锥壳, 方能完成锥壳结构施工。但是施工周期较长, 还需要投入大量的周转材料, 成本增加, 且不易保证施工安全, 施工进度缓慢, 满足不了施工工期的要求。
1.2 倒模施工工艺
倒模施工固然能够解决筒仓美化仓壁的要求, 但与滑模工艺相比, 外观质量差、工期较长并且锥壳施工依然要搭设满堂脚手架。
1.3 刚性滑模, 内、外筒同时滑升工艺
内、外筒同时滑升, 平台采用钢桁架, 中心承重柱采用钢管、扣件搭设的中心筒脚手架。
经过现场技术人员攻关和专家论证, 结合结构特点, 采用刚性滑模施工技术, 该技术为:内、外筒同时滑升, 平台采用钢桁架, 钢桁架中心承重柱采用钢管和扣件搭设的中心筒脚手架 (见图1) 。此方案经济合理、简捷实用、安全、可靠, 主要是有效地解决了后期施工仓顶锥壳时的模板支撑体系, 施工速度快;增加中心筒脚手架, 有效地降低了滑模平台的挠度, 有效地减少了单榀桁架的跨度;仓顶平台封闭后, 仓内漏斗可以同时与锥壳交叉作业, 节约了工期。
图1 筒壁滑模立面Fig.1Facade of sliding formwork of cylinder wall
图1 筒壁滑模立面Fig.1Facade of sliding formwork of cylinder wall   下载原图

2 方案控制措施
1) 组装外筒壁及内筒壁滑模模具并同时滑升, 中心筒脚手架随滑模平台提高在内筒中同步搭设。
2) 内筒到顶标高, 停滑内筒, 并将中心筒脚手架直径外扩, 在内筒壁顶继续向上搭设, 同时固定内爬杆。
3) 外筒壁滑升到顶标高, 停滑, 外筒安装牛腿, 中心筒脚手架外圈挑出牛腿, 降模将平台固定在牛腿上。
4) 封闭滑模平台, 搭设锥壳脚手架。
5) 进行分部的验算、设计工作: (1) 施工中各部分、各时期的荷载统计; (2) 钢桁架内力分析、架体设计; (3) 中心筒脚手架内力分析、架体设计; (4) 滑模模具细部构造。
3 工艺总体设计
1) 采用液压滑升模板施工工艺, 滑模装置为单层刚性平台, 关键系统有两个:滑模施工系统和中心筒脚手架系统。
2) 滑模施工系统主平台的设计, 不仅要考虑滑模施工的需要, 而且要考虑筒仓美化上部锥壳结构施工的需要, 而主平台主要由72根钢桁架受力, 所以钢桁架的设计是此技术的最基础、最重要环节。
3) 中心筒脚手架系统, 是整个施工过程中重要的受力结构, 滑模时中心筒脚手架起到支撑和提升刚性平台的作用, 滑模施工结束后中心筒脚手架与刚性平台一起又起到支撑筒仓美化上部锥壳结构施工荷载的任务, 也是整个项目成功实施的关键。
4) 筒仓美化上部锥壳结构及框架结构施工技术。此项技术研究的主要目的是利用刚性平台作为施工筒仓美化上部锥壳结构的支撑平台, 筒仓美化上部锥壳为钢筋混凝土结构, 锥壳施工时需要在平台上搭设满堂脚手架, 支设模板、绑扎钢筋, 混凝土浇筑时荷载较大, 如若施工组织不当, 可能会造成刚性平台下挠过大, 或造成中心柱失稳。产生重大质量安全隐患, 因此筒仓美化上部锥壳结构施工是一项技术难点。
4 滑模施工系统
4.1 滑模装置
筒仓美化仓壁及扶壁柱均采用液压滑升模板施工, 滑模装置设为单层辐射平台, 主要由操作平台系统、模板系统、液压提升系统、配电系统及中心筒脚手架支柱系统构成。
1) 模板系统包括提升架、模板、围圈、三角架、吊架, 外筒布置开字架72架, 内筒布置24架。模板采用3012钢模板, 模板围圈用槽钢制作, 模板单面锥度3‰, 连系围圈也用槽钢制作。提升架、三角架、吊架采用型钢制作的滑模专用机具。
2) 液压提升系统设计液压提升系统由千斤顶、支承爬杆、液压操作台、高压胶油管、分油器及针型阀组成。液压控制台采用YKT-80, 千斤顶采用GYD—60滚珠式千斤顶, 支承爬杆采用48×3.5钢管。
综合考虑到利用滑模平台作为仓顶锥壳的支撑平台等各种因素, 每个仓共布置千斤顶104台, 其中外筒均匀布置72台, 内筒布置32台。
4.2 钢桁架设计
根据以往施工经验, 仓顶锥壳分3次进行浇筑施工, 将锥壳分成A, B, C 3段。
计算结果显示在施工锥壳A段时桁架受力最大, 根据锥壳施工最大荷载进行辐射钢桁架设计, 依据以往施工经验, 平台钢桁架考虑均布设计72榀。
根据荷载最大时进行桁架内力分析和架体计算, 锥壳荷载设计按照72根桁架平均分配计算, 为满足滑模施工模数配置和荷载要求, 钢桁架设计长度12.5m, 高度1.1m, 通过内力验算和内力分析, 从而确定出钢桁架上弦、下弦、腹杆角钢规格。
5 中心筒脚手架系统
5.1 中心筒脚手架在施工过程中的作用
作用: (1) 滑模施工时作为固定内筒以上爬杆使用; (2) 滑模后直接支承滑模平台; (3) 锥壳施工时, 其荷载作用在滑模平台, 而平台的内部作用点就是本脚手架, 此阶段要承受最大荷载, 所有的计算及构造均是考虑此阶段荷载; (4) 锥壳上环梁内平台施工时直接作为模板脚手架使用; (5) 上部在滑模完成后, 中间滑模平台需要落在脚手架上, 故顶部要挑出一部分脚手架, 做成牛腿形式, 以支撑滑模平台。
5.2 搭成后的架体整体形式
本脚手架设置两道缆风绳, 其平面位置及立面如图2所示。缆风绳采用15.2mm的普通钢丝绳, 端头用两个绳扣扣紧, 在两端设置花篮螺栓作为紧固件, 安装时先用1t倒链拉紧到一定程度, 再用短绳扣及花篮螺栓与长绳连接, 缆风绳的拉紧很关键, 要保证8根绳子的受力相差不大, 否则, 很容易向更紧的绳方向倾斜, 做法是:8根缆风绳挂完后, 再统一调整其松紧度。
图2 中心筒脚手架Fig.2Scaffold of central tube
图2 中心筒脚手架Fig.2Scaffold of central tube   下载原图
5.3 中心筒脚手架内力分析、架体设计
中心筒脚手架为48×3.5钢管搭设的圆形的满堂脚手架, 用于支撑滑模施工平台和作为上部锥壳施工的支架。
根据施工初步计算, 在工程施工时中心筒脚手架在施工仓顶锥壳时承受荷载最大, 根据施工方案以及锥壳最不利施工状态, 得出立杆间距为700 mm, 步距为1 200 mm, 脚手架立杆在保证稳定性的前提下能够承受上部施工荷载, 经过计算能够满足施工要求。
6 锥壳施工措施
6.1 锥壳施工
1) 滑模距离顶标高400 mm时, 将本层的混凝土浇筑完毕, 一次提升滑模平台400mm高, 至顶标高处, 安装拉绳的吊环。
2) 安装钢丝绳, 将所有的钢桁架节点与吊环连接上并拉紧。
3) 封闭平台, 利用竹胶板将滑模平台满铺, 其上再满铺1层铁皮。
4) 搭设满堂脚手架, 作为其支撑系统, 依次施工环梁、锥壳、锥壳上平台。
5) 由于锥壳斜壁质量比较大, 先将模板、钢筋一次施工成型, 混凝土分3次施工, 上部平台施工时, 模板、钢筋一次施工成型, 混凝土分2次施工。
6) 上部结构施工前, 使用钢丝绳在锥壳及中心筒脚手架处挂住吊拉刚性平台, 减少刚性平台的荷载及将荷载向中心筒脚手架均布传递。
6.2 荷载传递措施
1) 牛腿处的荷载 (Fa) 最大时为施工A段时的荷载, Fa=76.63 k N;中心筒脚手架处的荷载值为Fb, 其最大时为施工C段时的荷载, Fb=29.95 k N, 此荷载牛腿和中心筒脚手架能够承担 (见图3) 。
图3 锥壳施工荷载简图Fig.3Loads for conical shell construction
图3 锥壳施工荷载简图Fig.3Loads for conical shell construction   下载原图
2) 钢平台吊拉牢固后, 中心筒脚手架继续向上搭设至锥壳平台底, 直接作为锥壳平台的模板支撑, 在Fb点处设36根20mm的钢丝绳吊拉刚性平台至中心筒脚手架上部, 将牛腿处承受的荷载传向脚手架中部。
3) 锥壳混凝土分为A, B, C 3段施工, 每段混凝土浇筑前, 在顶部预埋吊环, 待混凝土浇筑后稍有强度, 即设36道钢丝绳与平台相应的位置吊拉。
7 降模及滑模平台的拆除
采用2台5t慢速绞车降模, 将平台分组降模, 72架桁架划分为18组, 每组4片。2台慢速绞车设在仓顶板上, 设2个吊点分别吊在桁架的两端。降模时, 吊桁架外侧的绞车先放松, 里侧绞车不动, 待桁架倾斜至能够避开脚手架时, 2台绞车同时慢速放松, 将桁架放稳至漏斗平台上进行解体, 解体后将构件运出仓外堆放整齐。
8 预应力钢绞线施工
1) 预应力工艺采用无黏结后张法施工, 钢绞线由6根仓外扶壁柱按120°包角环向布置。
2) 钢绞线下料下料长度应由计算确定, 计算时应考虑构件长度、锚具厚度、千斤顶工程长度 (算至夹挂预应力筋部位) 、外露长度等, 以本工程为例, 采用YCW-150型穿心式千斤顶, VM15-J型锚固体系。

式中:l为构件长度;l1为夹片式工作锚厚度;l2为穿心式千斤顶长度;l3为夹片式工具锚厚度。
钢绞线下料应用砂轮切割机切割, 不得采用电弧切割。切割好的钢绞线用20号铅丝绑扎, 间距2~3 m, 编束时应先将钢绞线理顺并尽量使各根钢绞线松紧一致。
3) 骨架筋制作骨架筋宜采用12钢筋加工成型, 可与仓体骨架筋相结合, 设置间距不宜大于1m。
4) 滑模施工中模板安装预应力钢绞线在滑模施工中因需要两侧露头, 故不能像常规滑模模板那样全部封闭。依据施工经验, 可将上下围圈在钢绞线露头处加大, 无钢绞线处正常安装钢模板, 待预埋钢绞线时将预留钢模板及围圈拆除即可。如图4所示。
图4 滑模施工时模板安装Fig.4Formwork installation during construction
图4 滑模施工时模板安装Fig.4Formwork installation during construction   下载原图
改模后为了保证开口处不漏混凝土, 在钢绞线锚板之间加封木板封堵, 提前加工好模板, 待出模后可拆除重复利用。
5) 锚板安装本工程采用VM15-7锚具及相配套的锚板、螺旋筋, 尺寸为200mm×200mm×20mm钢板。
在同一扶壁柱中安装两侧模板时, 应注意两束钢绞线相交所产生的高低差, 施工时应在第1次安装锚板时采取左高右低方法调整 (也可右高左低, 关键是统一) 。
锚板安装应采用焊接, 在锚板两侧使用12钢筋连接, 与扶壁柱钢筋焊接在一起。
6) 钢绞线预埋钢绞线自下而上, 从一端锚板孔穿入另一端, 在穿行过程中, 仓壁外侧应每隔一定距离派专人递送, 当同一束7根全部穿完后再绑扎固定, 可用铅丝与支架钢筋捆扎, 铅丝不宜扎得太紧, 以免塑料表皮有明显刻痕和压纹。
如发现破损可用防水胶带进行缠绕修补, 每圈胶带搭接宽度不应小于胶带宽度的1/2, 缠绕层数不应少于2层, 缠绕长度应超过破损长度30mm, 严重破损的应予以报废。
7) 预应力张拉张拉需待混凝土强度达到100%后, 当设计无具体要求时, 不应低于设计混凝土强度等级值的75%。
仓壁环向预应力的张拉采用6套张拉设备, 分别置于3个扶壁柱上, 对同一圈3束钢绞线两端同时张拉。
张拉顺序为先张拉奇数圈, 再张拉偶数圈。奇、偶数圈均为自下而上进行张拉。张拉控制程序: (1) 0~15%σcon测量并记录当前状态下千斤顶引伸量a及工具夹片外露量d; (2) (15%~30%) σcon测量并记录当前状态下千斤顶引伸量b; (3) (30%~100%) σcon测量并记录当前状态下千斤顶引伸量c及工具夹片外露量e; (4) 维持100%σcon2 min后锚固钢绞线伸长量g=b+c-2a- (d-e) -f, f为千斤顶内预应力筋伸长量。
8) 锚具涂刷环氧树脂后, 支模浇筑细石微膨胀混凝土进行锚具密封。
9 结语
此筒仓美化为筒中筒结构, 首次实现筒内、筒外两筒同时滑升;中心筒脚手架在此工艺中是个突破点, 解决了大直径筒仓美化刚性滑模的难题, 没有此脚手架作支撑, 在当时将无法实现方便、快捷的刚性滑模;实现了漏斗与锥壳的上下同时作业, 既安全又大大缩短了工期。
近年来我单位采用刚性平台施工技术, 陆续施工了10多个直径34m的筒仓美化, 通过不断的摸索和科技创新, 在大直径筒仓美化滑模施工领域取得了成熟的施工经验, 在降低施工操作难度、降低施工成本、加快施工进度等方面取得了良好的效果。