大型筒倉減壓錐預(yù)制安裝
2009-12-08 00:00
直徑大于或等于15m的水泥庫和均化庫，采用伊堡庫的情況非常普遍。減壓錐通常采用現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)，為方便滑膜施工，一般將錐體與庫壁脫開，待庫壁施工完畢再從庫內(nèi)現(xiàn)澆錐體。當(dāng)直徑不大時(shí)，也有錐體與庫壁整體現(xiàn)澆的情況。
根據(jù)減壓錐受力特性，錐底部在物料壓力下產(chǎn)生巨大推力，若錐體與庫壁整體現(xiàn)澆，該推力將由設(shè)在庫壁內(nèi)的暗梁承擔(dān)。暗梁截面為異形，配筋量非常大，一般情況下，施工完成一個(gè)環(huán)梁的工期在14天以上，即庫壁滑膜在此標(biāo)高處必須停留，直至環(huán)梁乃至減壓錐施工完畢。水泥庫一般采用多個(gè)庫組合，減壓錐施工將耗費(fèi)更長時(shí)間。這也是多數(shù)情況下將錐體與庫壁分離的原因之一。
若設(shè)計(jì)將減壓錐與庫壁分離，為防止錐體底部變形，將在錐底部設(shè)置一條環(huán)梁以抵抗物料壓力產(chǎn)生的推力，僅考慮庫壁支座承擔(dān)豎向分力。因此庫壁可以連續(xù)滑膜至庫頂，爾后在庫內(nèi)施工減壓錐及環(huán)梁。在國內(nèi)，由于施工人力充足，勞動(dòng)力成本較低，雖然抱怨施工難度太大，工期太長，但很多項(xiàng)目依舊順利完工了，對(duì)于該設(shè)計(jì)沒有人提出太多批評(píng)。
同樣的設(shè)計(jì)，到了國外卻遇到了巨大挑戰(zhàn)。在我院設(shè)計(jì)的巴西某項(xiàng)目中，均化庫為15m直徑伊堡庫，減壓錐設(shè)計(jì)為與庫壁整體現(xiàn)澆。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，減壓錐環(huán)梁以上錐體部分混凝土方量為113m3，重量約283t。若現(xiàn)澆，需要模板529m2，腳手架(D48x3mm鋼管)約8120m。由于當(dāng)?shù)厝藳]有24小時(shí)連續(xù)施工的習(xí)慣，滑膜施工也僅在白天進(jìn)行，施工進(jìn)度非常慢。加上當(dāng)?shù)鼗炷凉?yīng)能力非常有限，減壓錐連續(xù)澆筑混凝土不現(xiàn)實(shí)。在權(quán)衡利弊之后，經(jīng)過搜集南美各國工程資料，對(duì)減壓錐提出了革命性的改變，將減壓錐分成12塊預(yù)制板加一塊頂部封口板，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制后拼裝，并取消了國內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中錐底的環(huán)梁，各預(yù)制件之間僅預(yù)埋鋼板通過焊接連接。分塊數(shù)量應(yīng)符合計(jì)算模型，卸料孔必須在一塊完整的分塊上，也應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貦C(jī)具的吊裝能力。本項(xiàng)目每塊重量約23t，吊鉤起吊高度為27m，工作半徑12m，選用100T移動(dòng)吊車即可滿足要求。
將原本整體現(xiàn)澆的錐體分塊預(yù)制，從理論上降低了結(jié)構(gòu)的整體性能，對(duì)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和工作性能是否有影響呢？現(xiàn)澆錐體底部有環(huán)梁約束，分塊預(yù)制后錐底分裂，無直接約束，是否會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全？
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若減壓錐與庫壁分離，一般僅考慮庫壁對(duì)減壓錐提供豎向約束，錐底水平約束由錐底環(huán)梁提供。經(jīng)分析，這種設(shè)計(jì)概念忽略了支座對(duì)錐底的摩擦力。實(shí)際工作狀態(tài)下，庫壁將對(duì)減壓錐同時(shí)提供豎向約束和水平約束，如果水平約束達(dá)到一定大小，能夠滿足力三角形的平衡條件，則可等同于庫壁對(duì)減壓錐提供沿錐壁方向的斜向反力。如果這個(gè)條件成立，在物料壓力下，減壓錐將完全受壓，只需對(duì)卸料口進(jìn)行加強(qiáng)。問題的關(guān)鍵是找出錐底面與庫壁支座處的摩擦力能否滿足實(shí)際受力需求。目前庫壁及減壓錐一般采用C40混凝土，最低也用C30混凝土。混凝土面之間的摩擦系數(shù)可能受到表面特性影響，但根據(jù)“建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”，混凝土對(duì)粗糙表面硬質(zhì)巖石的摩擦系數(shù)可取0.65-0.75， 對(duì)于軟質(zhì)巖石可取0.4-0.6。“重力式碼頭設(shè)計(jì)施工規(guī)范”推薦混凝土表面間摩擦系數(shù)可取0.55。碼頭規(guī)范推介的數(shù)據(jù)適用于水下工況，而減壓錐在干燥環(huán)境下工作，摩擦系數(shù)會(huì)更高。C30混凝土強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到硬質(zhì)巖石要求，理論上可以取0.65-0.70的摩擦系數(shù)，為穩(wěn)妥起見，可以采用0.60的摩擦系數(shù)。減壓錐錐角為60度，根據(jù)支座反力指向錐壁方向建立力三角形，可以推算出所需水平支座反力與豎向支座反力之比等于1:1.73。按0.60摩擦系數(shù)計(jì)算，1.73的單位豎向力可以產(chǎn)生1.04個(gè)單位的水平摩擦力，滿足平衡要求。即減壓錐直接放置在庫壁水平支座面上時(shí)，錐體底部約束能夠滿足錐體平衡條件，使錐體處于雙向軸心受壓狀態(tài)，錐體截面配筋均為構(gòu)造鋼筋。分塊后環(huán)向鋼筋被打斷，構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生縫隙。但只要預(yù)制件幾何尺寸滿足精度要求，裝配后構(gòu)件間縫隙小于結(jié)構(gòu)彈性變形范圍，在壓力作用下，結(jié)構(gòu)通過微小變形最終形成協(xié)同工作的整體受壓構(gòu)件。所以保障結(jié)構(gòu)安全的核心是保證預(yù)制件幾何尺寸的精度以及安裝定位的準(zhǔn)確度。
錐體準(zhǔn)確定位首先應(yīng)準(zhǔn)確定位錐頂中心。根據(jù)錐體分塊數(shù)量，錐頂被預(yù)制成邊數(shù)與分塊數(shù)量相等的正多面體，與錐體每個(gè)分塊對(duì)應(yīng)的面上預(yù)埋鋼板，便于安裝后將錐壁與錐頂焊接成為整體。安裝的第一步便是定位錐頂，這是整個(gè)安裝過程中最為關(guān)鍵的一步。
錐頂采用臨時(shí)支架就位，支架頂部有調(diào)節(jié)裝置。
錐體底部就位可在庫壁支座處預(yù)留定位鋼筋，在預(yù)制件支座底板上預(yù)留定位圓孔，吊裝時(shí)簡單將每塊板件的圓孔套在定位鋼筋上即可。吊裝時(shí)先將構(gòu)件底部就位，再慢慢將分塊構(gòu)件頂部靠近錐頂并精確就位。注意構(gòu)件不得推動(dòng)錐頂預(yù)制件，兩個(gè)相向的構(gòu)件應(yīng)依次安裝，以降低頂部推力。根據(jù)力學(xué)分析，有效儲(chǔ)料高度為40m時(shí)，若構(gòu)件間側(cè)向縫隙在5mm以內(nèi)，受壓變形后結(jié)構(gòu)可閉合成完整錐體。
錐體與庫壁間填料適當(dāng)提高強(qiáng)度等級(jí)，可加固錐底，防止滑移。
目前水泥項(xiàng)目工程中設(shè)計(jì)最大的伊堡庫直徑為22.5m，減壓錐高度19m，壁厚700mm，按這個(gè)工程量計(jì)算，錐體混凝土方量為403m3，重量約1009t，模板面積973m2，需腳手架約15980m。若改用預(yù)制方案，可將錐壁厚度改為變截面，底部厚700mm，頂部厚度400mm。此時(shí)結(jié)構(gòu)混凝土量為352m3，重量減小到880t。根據(jù)卸料口尺寸要求，可將錐體分成32塊加一塊頂板，每塊重量約27.5t，吊車吊鉤起吊高度36m，工作半徑16m，選用150T移動(dòng)吊車即可滿足吊裝要求。預(yù)制構(gòu)件在庫體支承筒壁滑膜期間完成，環(huán)梁施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后立即開始吊裝，每個(gè)工作日可安裝完成4-6塊，完成整個(gè)錐體安裝需要6-8天左右?，F(xiàn)澆方案一般需要45-60天才能完成施工，預(yù)制方案在工期方面的優(yōu)越性非常顯著。
伊堡庫減壓錐由現(xiàn)澆方案改為預(yù)制方案，從技術(shù)角度分析是可靠的，在南美各國已有成功工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。只要項(xiàng)目場(chǎng)地滿足預(yù)制要求，能保證預(yù)制件精度，有運(yùn)輸及吊裝能力，采用預(yù)制方案不僅能夠節(jié)約大量模板腳手架工程量和人工操作工作量，還能大大縮短項(xiàng)目工期，是一種高效的新思路。
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