大型筒仓减压锥预制安装
2009-12-08 00:00
直径大于或等于15m的水泥库和均化库，采用伊堡库的情况非常普遍。减压锥通常采用现浇整体式结构，为方便滑膜施工，一般将锥体与库壁脱开，待库壁施工完毕再从库内现浇锥体。当直径不大时，也有锥体与库壁整体现浇的情况。
根据减压锥受力特性，锥底部在物料压力下产生巨大推力，若锥体与库壁整体现浇，该推力将由设在库壁内的暗梁承担。暗梁截面为异形，配筋量非常大，一般情况下，施工完成一个环梁的工期在14天以上，即库壁滑膜在此标高处必须停留，直至环梁乃至减压锥施工完毕。水泥库一般采用多个库组合，减压锥施工将耗费更长时间。这也是多数情况下将锥体与库壁分离的原因之一。
若设计将减压锥与库壁分离，为防止锥体底部变形，将在锥底部设置一条环梁以抵抗物料压力产生的推力，仅考虑库壁支座承担竖向分力。因此库壁可以连续滑膜至库顶，尔后在库内施工减压锥及环梁。在国内，由于施工人力充足，劳动力成本较低，虽然抱怨施工难度太大，工期太长，但很多项目依旧顺利完工了，对于该设计没有人提出太多批评。
同样的设计，到了国外却遇到了巨大挑战。在我院设计的巴西某项目中，均化库为15m直径伊堡库，减压锥设计为与库壁整体现浇。根据设计图纸计算，减压锥环梁以上锥体部分混凝土方量为113m3，重量约283t。若现浇，需要模板529m2，脚手架(D48x3mm钢管)约8120m。由于当地人没有24小时连续施工的习惯，滑膜施工也仅在白天进行，施工进度非常慢。加上当地混凝土供应能力非常有限，减压锥连续浇筑混凝土不现实。在权衡利弊之后，经过搜集南美各国工程资料，对减压锥提出了革命性的改变，将减压锥分成12块预制板加一块顶部封口板，进行现场预制后拼装，并取消了国内传统设计中锥底的环梁，各预制件之间仅预埋钢板通过焊接连接。分块数量应符合计算模型，卸料孔必须在一块完整的分块上，也应考虑当地机具的吊装能力。本项目每块重量约23t，吊钩起吊高度为27m，工作半径12m，选用100T移动吊车即可满足要求。
将原本整体现浇的锥体分块预制，从理论上降低了结构的整体性能，对结构受力特点和工作性能是否有影响呢？现浇锥体底部有环梁约束，分块预制后锥底分裂，无直接约束，是否会影响结构安全？
在传统设计中，若减压锥与库壁分离，一般仅考虑库壁对减压锥提供竖向约束，锥底水平约束由锥底环梁提供。经分析，这种设计概念忽略了支座对锥底的摩擦力。实际工作状态下，库壁将对减压锥同时提供竖向约束和水平约束，如果水平约束达到一定大小，能够满足力三角形的平衡条件，则可等同于库壁对减压锥提供沿锥壁方向的斜向反力。如果这个条件成立，在物料压力下，减压锥将完全受压，只需对卸料口进行加强。问题的关键是找出锥底面与库壁支座处的摩擦力能否满足实际受力需求。目前库壁及减压锥一般采用C40混凝土，最低也用C30混凝土。混凝土面之间的摩擦系数可能受到表面特性影响，但根据“建筑地基基础设计规范”，混凝土对粗糙表面硬质岩石的摩擦系数可取0.65-0.75， 对于软质岩石可取0.4-0.6。“重力式码头设计施工规范”推荐混凝土表面间摩擦系数可取0.55。码头规范推介的数据适用于水下工况，而减压锥在干燥环境下工作，摩擦系数会更高。C30混凝土强度已经达到硬质岩石要求，理论上可以取0.65-0.70的摩擦系数，为稳妥起见，可以采用0.60的摩擦系数。减压锥锥角为60度，根据支座反力指向锥壁方向建立力三角形，可以推算出所需水平支座反力与竖向支座反力之比等于1:1.73。按0.60摩擦系数计算，1.73的单位竖向力可以产生1.04个单位的水平摩擦力，满足平衡要求。即减压锥直接放置在库壁水平支座面上时，锥体底部约束能够满足锥体平衡条件，使锥体处于双向轴心受压状态，锥体截面配筋均为构造钢筋。分块后环向钢筋被打断，构件之间会产生缝隙。但只要预制件几何尺寸满足精度要求，装配后构件间缝隙小于结构弹性变形范围，在压力作用下，结构通过微小变形最终形成协同工作的整体受压构件。所以保障结构安全的核心是保证预制件几何尺寸的精度以及安装定位的准确度。
锥体准确定位首先应准确定位锥顶中心。根据锥体分块数量，锥顶被预制成边数与分块数量相等的正多面体，与锥体每个分块对应的面上预埋钢板，便于安装后将锥壁与锥顶焊接成为整体。安装的第一步便是定位锥顶，这是整个安装过程中最为关键的一步。
锥顶采用临时支架就位，支架顶部有调节装置。
锥体底部就位可在库壁支座处预留定位钢筋，在预制件支座底板上预留定位圆孔，吊装时简单将每块板件的圆孔套在定位钢筋上即可。吊装时先将构件底部就位，再慢慢将分块构件顶部靠近锥顶并精确就位。注意构件不得推动锥顶预制件，两个相向的构件应依次安装，以降低顶部推力。根据力学分析，有效储料高度为40m时，若构件间侧向缝隙在5mm以内，受压变形后结构可闭合成完整锥体。
锥体与库壁间填料适当提高强度等级，可加固锥底，防止滑移。
目前水泥项目工程中设计最大的伊堡库直径为22.5m，减压锥高度19m，壁厚700mm，按这个工程量计算，锥体混凝土方量为403m3，重量约1009t，模板面积973m2，需脚手架约15980m。若改用预制方案，可将锥壁厚度改为变截面，底部厚700mm，顶部厚度400mm。此时结构混凝土量为352m3，重量减小到880t。根据卸料口尺寸要求，可将锥体分成32块加一块顶板，每块重量约27.5t，吊车吊钩起吊高度36m，工作半径16m，选用150T移动吊车即可满足吊装要求。预制构件在库体支承筒壁滑膜期间完成，环梁施工完成并达到强度后立即开始吊装，每个工作日可安装完成4-6块，完成整个锥体安装需要6-8天左右。现浇方案一般需要45-60天才能完成施工，预制方案在工期方面的优越性非常显著。
伊堡库减压锥由现浇方案改为预制方案，从技术角度分析是可靠的，在南美各国已有成功工程实践经验。只要项目场地满足预制要求，能保证预制件精度，有运输及吊装能力，采用预制方案不仅能够节约大量模板脚手架工程量和人工操作工作量，还能大大缩短项目工期，是一种高效的新思路。
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