平顶筒仓顶板立体钢桁架模架体系设计与施工探讨

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论文字数:48544 论文编号:sb2022042415141546479 日期:2022-05-15 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文以伊敏筒仓工程中平顶仓顶混凝土主梁施工为研究背景,运用有限元软件对在仓顶主梁施工阶段的立体钢桁架模架体系模型进行静力分析,得到在施工过程中模架结构杆件的受力、变形情况,通过有限元分析结果制定对已有桁架的应力和变形现场测试方案并进行应力和变形测试;将有限元分析结果和现场测试数据对比分析,选出更优的筒仓平顶施工的仓顶模架方案。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
本文所研究的平顶筒仓结构内径为 26m,当进行筒仓施工时,在进行仓顶施工时,通常通过仓底搭设满堂脚手架或者搭设中心井架支撑,从而满足仓顶梁板结构施工要求。然而这些仓顶的传统施工方法缺点主要为搭设满堂脚手架架体较高,容易失稳发生脚手架坍塌事故,并且耗费大量的人力,施工缓慢,增长工期。两种仓顶施工的方法都存在施工困难,施工工期长且不够经济安全的问题。因此,本文依据工程采用刚性平台进行筒仓施工,仓顶施工时由于刚性平台经加固后应不能满足仓顶主梁结构的施工要求,故本文针对该工程仓顶两条 0.8m×2.5m 的主梁利用现有废旧的筒仓刚性滑模平台辐射梁桁架材料设计了两类筒仓仓顶模架体系,分别为立体钢桁架模架体系与立体钢桁架组合梁模架体系,同时为了保证施工安全,防止筒仓仓顶混凝土主梁在浇筑过程中,一次加载过大,造成立体钢桁架模架体系失稳,故而采取分阶段施工的方法。该体系省去了从地面搭设满堂脚手架的过程,从而有效保证了施工安全与施工质量,并且该体系有效利用了经拆卸后的废旧刚性滑模平台辐射梁桁架,同时也为类似平顶筒仓工程的仓顶支撑体系提供更为安全、经济的施工方案。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
Nielsen 提出利用有限元建立模型时,对于支撑架受力杆杆可视为理想的均匀弹性材料[1];
Grundy 与 kabaila 提出当设置一个模板支架为无变形,弹性模量无穷大的刚性构件时,对支撑模架的受力情况影响不大[2]。
K.T.Foss,M.Maage 通过有限元计算模拟分析得到,在利用滑模平台施工时,降低混凝土与模板的摩擦系数,可有效降低混凝土由于摩擦产生的损害[3]。Brandy 通过理论计算与实验提出,应将立杆步距值设为立杆的计算长度[4];
R.k.Agarwal 和 N.J.Gardner 通过对支撑模架杆件在施工过程中的测试监控与分析,对模型进行参数调整,提出了一种优化的计算模型[5]。
Chandrangsu[6,7]测试研究脚手架的整体体系,起始主要是对扣件刚度进行一个相关参数的研究试验,再对得到的参数数据进行下一步分析;其次发现整体模架体系如果考虑偏心荷载时,脚手架的扣件刚度发生了明显的变化。Homes 和 Hindsonlss 根据足尺模架模型试验分析,研究模架体系在同时承受两个不同方向的荷载时模架的受力情况[8]。
Hadiprion 和 Wang 对多起模架事故研究发现,事故发生原因多为设计、施工技术,材料存在严重缺陷,受施工荷载影响等原因[9]。
Weesner 和 Jones 针对架高 5m 且不同结构形式的,不同的足尺模型进行试验,并对得到的承载力结果进行分析。研究得到用 ANSYS 软件模拟几何非线性的方法计算出来脚手架的承载力数值和实测结果是较为接近的[10]。
I.M.Viest[11]通过试验得到栓钉极限抗剪强度,为界面滑移超过 0.076mm 的荷载值,并且提出了焊接栓钉的极限承载力的经验公式;Slutter、Driscoll 开展了梁式试验和推出试验,研究栓钉的连接性能[12]。
Ashraf Mohamed Mahmoud 使用有限元软件建立了钢-混凝土组合梁的整体模型,并与试验数据对比分析,得到 ANSYS 模型可以对组合梁分析的较为准确的结论[13]。
Lawson R M 等人提出了当考虑抗剪连接件刚度时,组合梁有效刚度的设计公式[14];Lasheen M 等人用三个独立的实验研究程序对钢-混凝土组合梁有限元模型进行验证,验证得到模型可以预测钢-混凝土的组合梁的性能。最后,得到两组公式,公式可以计算有效的工作宽度以及极限荷载[15]。
2019 年,Abdolreza Ataei 等通过试验,来评估钢-混凝土组合梁的屈服滑移、极限滑移、屈服荷载以及极限抗剪承载力[16]。
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第 2 章 筒仓仓顶模架体系选型分析
2.1 工程概况
2.1.1 筒仓工程概况
华能伊敏露天煤矿生产补套项目缓冲仓包括两个独立筒仓,筒仓结构形式为钢筋混凝土结构圆形筒仓,两个筒仓结构均为高度 51m,内径 26m,仓壁厚度为360mm,仓顶为平顶钢筋混凝土;筒仓结构施工时漏斗以上采用辐射梁滑模施工,滑模高度为 13.3m~46.9m,滑模高度 33.6m。

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2.2 仓顶梁板结构施工方法分析
2.2.1 满堂支撑体系施工方法
满堂支撑体系全称为扣件式钢管满堂支撑体系,它是利用扣件将钢管连接起来形成一种空间承载体系,具有拆装方便、通用性强、整体刚度好等优点。
满堂支撑体系包括满堂脚手架与满堂支撑架。满堂脚手架体系组成与满堂支撑架相同,该架体顶部立杆直接与底膜木方接触,在仓顶施工时,施工荷载通过水平杆底膜下的木方传递给立杆。
在施工过程中,脚手架的搭设都是根据规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2001)进行布置的[35];满堂支撑体系施工由于整体稳定性不够良好,扣件节点刚度较弱、安全性低等因素,在危大工程中的应用较少。
2.2.2 中心井架支撑体系施工方法
中心井架一般采用正方形,利用满堂脚手架的搭设方法,围绕筒仓的中心搭设;中心井架搭设时可以随着仓壁的滑模施工边滑模边搭设,脚手架搭设按照规范进行布置,最后进行承载能力验算。中心井架受力方式同满堂脚手架相似,在仓顶施工过程中,荷载主要由中心井架承担。在中心井架搭设的过程中,在搭设至一定高度就需要对中心井架进行加固处理,设置拉索等有效的加固措施,提高中心井架的承载能力及稳定性。在中心井架搭设过程中遇到漏斗等结构时,为方便施工,需在漏斗侧壁上预埋钢筋头或者剔凿出一个平面,以便于立杆的架设与固定。
仓壁滑模结束后,进行中心井架与操作平台的连接,在中心井架与操作平台连接时,应保证所有立杆与操作平台相连,并采取相应的加固措施,保证中心井架与操作平台之间有效的接触。这种施工方法可以有效减少满堂脚手架的搭设工作,但在筒仓结构高度较高时,由于高空作业的方式具有一定危险性,所以增加了工程的安全隐患。同时较高的中心井架在现有的案例中,不具有较好的承载能力及稳定性。
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第 3 章 立体钢桁架模架体系有限元分析与设计研究............................ 13
3.1 立体钢桁架设计与有限元分析......................... 13
3.1.1 立体钢桁架设计初选.............................. 13
3.1.1.1 立体钢桁架设计初选........................ 13
3.1.1.2 水平支撑..................................... 15
第 4 章 立体钢桁架模架体系施工关键技术与现场测试............................ 37
4.1 模架体系施工关键技术.................................. 37
4.1.1 立体钢桁架模架体系施工关键技术...................................... 37
4.1.2 立体钢桁架组合梁模架体系施工关键技术........................... 38
第 5 章 两类模架测试值与有限元结果对比分析....................................... 67
5.1 立体钢桁架模架测试值与有限元结果对比分析............................ 67
5.2 立体钢桁架组合梁模架测试值与有限元结果对比分析.............................. 68
第 5 章 两类模架测试值与有限元结果对比分析
5.1 立体钢桁架模架测试值与有限元结果对比分析
在结合实际工况,把立体钢桁架模架体系的立体钢桁架利用有限元软件建模完成模拟后,我们把实际检测的数据与模拟数据进行对比分析,由于立体钢桁架模架体系中的立体钢桁架只在工况一下起到支撑作用,故在工况一下,立体钢桁架的现场测试值与有限元模拟值对比分析如表 5-1 所示。

土木工程论文参考
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由表 5-1 可知,在工况一阶段,所有测点的测试值与模拟值差值均在合理有效范围之内,测点 G1-H4P2 误差最大为-19.5%,测点 G1-H2P3 误差最小为-4.83%。由此可得在整个浇筑过程中的有限元模拟是有效的。并且由表可知现场测试数值普遍大于有限元模拟值,而导致实测值比模拟值误差大的原因,经分析主要有:首先,在模拟分析中立体钢桁架模型所受荷载情况与实际施工现场混凝土浇筑时产生的荷载很难完全一致。其次由于现有材料原辐射梁桁架部分杆件初始缺陷比较严重。最后集中堆载和施工动力荷载都是导致实测值与模拟值产生误差的重要原因。
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结论与展望
结论
本文以伊敏筒仓工程中平顶仓顶混凝土主梁施工为研究背景,运用有限元软件对在仓顶主梁施工阶段的立体钢桁架模架体系模型进行静力分析,得到在施工过程中模架结构杆件的受力、变形情况,通过有限元分析结果制定对已有桁架的应力和变形现场测试方案并进行应力和变形测试;将有限元分析结果和现场测试数据对比分析,选出更优的筒仓平顶施工的仓顶模架方案。
主要结论如下:
(1)为满足筒仓仓顶混凝土梁浇筑,开发设计两类钢桁架模架体系。分别为立体钢桁架模架体系与立体钢桁架组合梁模架体系。该体系有效避免了传统满堂支撑体系与中心井架支撑体系在较高筒仓中施工的安全隐患。利用该体系施工,具有施工安全、施工工期短与经济效益提高的优点。
(2)参考筒仓施工方案和相关规范,运用有限元软件建立立体钢桁架与立体钢桁架组合梁整体模型。对仓顶结构混凝土主梁施工阶段模架杆件的内力和变形进行了分析。工况一桁架跨中区域所受应力最大;桁架整体变形均匀,实际挠度远小于容许值。
(3)针对两类立体钢桁架模架体系,在仓顶主梁浇筑过程中的两次浇筑阶段所带来的关键技术问题进行了分析,并重新制定了合理的施工方案,提高了施工的安全性;对模架体系实施应力现场测试和挠度现场测试,由应力和变形测试结果可知,模架结构真实受力情况小于材料屈服强度,变形小于设计容许值,安全储备较大。
(4)根据两类模架体系对比分析结果可知,在工况二下立体钢桁架组合梁模架体系的立体钢桁架组合梁构件应力与变形明显小于立体钢桁架模架体系的应力与变形。进一步得知立体钢桁架组合梁模架体系在平顶筒仓仓顶主梁施工时具有更优的安全性与经济性。可为以后的筒仓仓顶主梁混凝土施工模架体系提供参考与推广。
参考文献(略)


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