浅圆仓锥形壳结构体系的选择与施工关键技术

传统高支模施工工艺由于脚手架搭设高度高、整体刚度小、变形大和稳定性差,造成施工安全的可靠度低，工期得不到保证，投资及经济指标不佳等，要有效解决这些问题，在设计阶段进行正截锥形壳仓顶盖的技术设计，选择技术先进、经济合理的仓顶盖的结构类型，是统筹设计和施工，提高结构可靠度和保证施工安全的关键途径，在国家大力推广绿色装配式建筑的产业政策下，钢-混凝土组合结构是浅圆仓正截锥形壳仓顶盖结构体系的最佳体系，也是结构可靠、经济的设计和施工方案，本文将重点分析和探讨其锥形壳结构体系的选择，并阐述施工关键施工技术等。

1   浅圆仓顶盖正截锥形壳结构体系的分析和选型

1.1   钢筋混凝土结构

以河南某面粉项目为例，设计参数：单仓仓容10?000?t，内径25?m,檐口高度31.3?m，仓壁厚250mm，锥形顶高5.55m，坡度25°，板厚150mm，锥底和锥顶分别设有500mm×750mm和600mm×800mm的环梁，且仓顶布置有工艺设备通廊，对结构产生动荷载。

优点：该体系较为普遍采用，仓壁与仓顶锥形壳均为钢筋混凝土，整仓结构的可靠度、受力性能、抗震性较好。

缺点：浅圆仓正截锥形壳顶板施工为高空、大跨、重荷施工，难度极大、安全可靠度低、施工周期较长、投资、经济效果欠佳。

1.2   双层彩钢扣板顶盖结构

以中央储备粮某直属库项目为例，设计参数：单仓仓容6?500?t，内径25?m，仓顶盖由上下两层多块四边形或多边形彩钢扣板、玻璃岩棉保温隔热层、内张力圈、C形檩条、H形斜钢梁等构成。

优点：该体系为全钢结构正截锥形壳，具有施工便捷、工期短、节约投资优点。

缺点：其是近年来从国外引进的试验推广仓，因浅圆仓壁为钢筋混凝土；仓顶盖为全钢结构，整体受力性能、结构可靠度和抗震性较差，且目前技术不成熟，特别是抗震设防等级要求高的地区应慎重选用。同时，其顶盖结构施工仍需搭设与仓同高的中心脚手架，附壁拉结的难度较大，存在安全风险。

1.3   装配钢筋混凝土锥面顶壳体系

以北京某储备粮库项目为例，设计参数：单仓仓容10000t，内径30m，檐口高度15.6m，仓壁厚270mm，锥形顶高8m，坡度30°，锥底和锥顶均布置有环梁，预制的锥形壳板设计有3种规格，分别是底层板48块、中层板32块和上层板16块，预制板端部厚300mm，每块板中间填充泡沫保温板，平均重约5?t/块，仓顶锥形壳板总重约500?t。

优点：该体系需在工厂提前预制，工期节约，受力性能、结构可靠度和抗震性较双层彩钢扣板顶盖体系较好。

缺点：自重较大，根据采用该体系项目的施工实践，需占用滑模平台和搭拆芬克式钢屋架钢结构支撑，存在一定安全风险，经济效果欠佳等。

1.4   钢–混凝土组合结构锥面壳体系

以河南某面粉项目为例，设计参数：单仓仓容10000t，内径25m，檐口高度28m，仓壁厚250mm，锥形顶高6m，坡度27°，仓壁厚250mm，锥底设计有400mm×850mm钢筋混凝土一道大环梁，仓顶设计有三道钢架环梁，现浇板厚130mm，采用型号：YX75-230-690-1.0镀锌压型钢板兼作底模。

优点：钢–混凝土组合结构锥面壳体系能充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压性能好的优点，具有良好的受力和抗震性能，该体系应用于浅圆仓顶盖，具有以下优点。

（1）整仓结构可靠度、受力性能和抗震性好：楼承板混凝土与仓壁通过大环梁现浇一体，充分发挥了钢材抗拉和混凝土抗压性能好的优点；充分利用了拱壳结构受力 原理。

（2）施工工期短：钢架梁、仓顶檩条、支撑、楼承板等在专业钢构加工厂提前预楼承板作为现浇板的永久底模，无需任何支撑，节省了支拆模工序，在充分保证施工安全的同时，能有效缩短工期和降低安全风险。

（3）安全可靠度大：浅圆仓正截锥形壳仓顶盖的高空、大跨、重荷施工，其为典型的“危大工程”，对项目各参加方而言，安全是最大风险，以往项目频繁发生的安全事故，过高的施工成本、过长的工期让各参加方苦不堪言。本体系施工采用仓中心立塔式起重机标准节作为操作平台，安全可靠，楼承板作为永久底模和下道工序施工平台，无需任何支撑，消除了一切风险因素，减少了安全事故发生概率。

（4）经济效果好：由于此结构体系的楼承板可作为现浇板底筋和底模，减少了混凝土用量，不但能降低投资，且能较传统结构体系工期提前25d以上，为业主带来了提前投产的经济和社会效益；同时给承包人带来了节省搭设脚手架、伞形钢结构支撑的制安和模板支拆等费用，有效地降低了工程成本，能实现各参加方共赢效果。

（5）结构合理：浅圆仓250mm厚的仓壁与130mm厚现浇板整浇一体，仓整体性和抗震性较好，同时压型钢板底模是将镀锌钢板压制成凸凹肋板或波形板，在承载力和刚度大幅提高同时，肋部可敷设水电管线，结构合理。

缺点：需做好锥面壳板与仓壁间关键节点连接。

2   各结构体系对应的施工实践和方案选择

2.1   钢筋混凝土结构体系施工方案分析

钢筋混凝土正截锥形壳结构体系经过多年的施工实践，常采用从地面搭设满堂钢管脚手架的高支模方案、立柱–伞形钢结构支撑方案和仓壁预埋钢丝绳环，搭设钢丝绳网格支撑的方案3种，3种方案均需投入大量人力、物力和财力，不但施工成本高、工期长，且存在很大安全风险，在设计与施工统筹之下，性价比较低。

2.2   装配钢筋混凝土锥形壳体系施工方案分析

目前浅圆仓项目设计的仓内径20～30m居多，仓顶锥形壳板跨度大，而随之装配式板的截面尺寸和自重也大，一般每块重约5t，顶盖总重达500t。根据采用该体系项目的施工实践，仍需借用滑模平台，并搭拆芬克式钢屋架钢结构支撑，且对吊装机械的起重吨位提出了较高要求，另需采用大吨位汽车式起重机，存在一定安全风险，经济效果欠佳。如推广此方案，应借助BIM等技术，优化结构，减少截面尺寸，降低构件自重是推广应用的关键。

2.3   钢-混凝土组合结构锥面顶壳体系施工方案分析

钢-混凝土组合结构锥面顶壳体系能充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压性能好的优点，在具有良好抗震性的同时，采用仓中心立塔式起重机标准节作平台施工，并将楼承板作为永久底模，无需任何支撑，在缩短工期的同时，消除了一切风险因素，对投资人是性价比最高、投资效益最好的方案；对承包人是施工成本最低和经济效果最后的方案。

3   钢-混凝土组合结构正截锥形壳体系施工关键技术

3.1   工艺流程

地下通廊底板施工时预埋塔式起重机标准节固定支腿→安装塔式起重机标准节平台→坡向钢架梁地脚螺栓复核→环形钢架梁中心圈拼装→环形钢架梁中心圈吊装及临时固定→坡向钢架梁安装→屋面支撑体系安装→拆除浅圆仓中心塔式起重机标准节→永久底模安装→壳板钢筋绑扎→隐蔽验收→浇筑壳板混凝土→连廊支架柱、洞口上翻沿二次施工→循环至下一个仓。

3.2   锥形壳顶盖施工总体部署

根据施工组织设计确定的锥形壳顶盖工期，组织流水施工，一般以2个或4个仓为单元，确定每个单元施工的锥形壳顶板数量、配备相应机械、材料和设备等。钢架梁等钢构件的吊装采用塔式起重机，参数选择时应考虑环形钢架梁中心圈总重量；壳板混凝土浇筑采用汽车泵的方案，参数选择时应考虑浅圆仓高度和场地情况。施工时先吊安浅圆仓中心标准节平台，接着吊安钢架梁中心圈，并临时固定，后吊安坡向钢架梁，并依次吊安屋面支撑、楼承板底模等，最后进行壳板钢筋绑扎和混凝土浇筑，各工序均按流水单元组织流水施工，循环至全部完成。

3.3   利用BIM技术，模拟施工，进行可视化技术交底

浅圆仓顶盖为锥形壳几何体，由于其仓型体的特殊，做好施工充足施工准备和可视化交底是确保工程质量、施工安全和工期关键。施工前，由公司技术中心的BIM工程师按图纸设计进行建模和可视化设计，并模拟施工，对专业劳务人员进行可视化BIM交底，让作业人员从感官上认知；在工艺上熟悉；在要点上牢记；在操作上可靠。

3.4   安装仓中心塔式起重机标准节平台

仓中心塔式起重机标准节平台主要用来临时固定钢架中心圈，此工序是进行锥形壳顶盖施工基础工序。在浅圆仓中心地下通廊底板施工时，统筹预埋塔式起重机标准节固定支腿（选用塔式起重机厂家原厂产品），仓壁滑模完成后，进行塔式起重机标准节平台的安装，顶标高应结合图纸设计的锥形壳板标高安装。当标高不吻合时应采用附加型钢平台的措施，并按国家现行规范要求的脚手架和塔式起重机的验收程序组织验收，合格方可进行下道工序。

3.5   环形钢架梁中心圈吊装

环形钢架梁中心圈的安装是锥形壳钢骨架施工第一步，先用激光铅锤仪将浅圆仓中心点投测到标准节上，用塔式起重机将在地面拼装好的环形钢架梁中心圈，按投测的中心点吊装到位，固定时采用自制专用卡具，同时用4条缆风绳在4个方向与仓壁连接 牢固。

3.6   钢架梁吊装

（1）钢架梁吊安顺序：先安装坡向主钢架梁GL1（16根）,再安装环向钢架梁GL3（32根），后安装坡向次钢架梁GL2（16根），吊安时按向心轴网分构件依次对称的方案。

（2）吊装质量控制：钢架梁吊装采用塔式起重机，根据BIM模拟施工的坡角，使钢架梁起吊前即形成设计的坡角，便于一次安装到位，钢架梁就位时，两端由操作人员用绳索辅助到正确位置，测量校正无误差后，用安装螺栓临时固定牢固，并用图纸要求级别的摩擦型高强连接副连接到位，宜按“先紧固螺栓后焊接”的顺序施工，且应满焊，焊缝宽度和高度满足设计要求。

单仓钢架梁吊装必须在当日完成，避免夜间大风等不可抗力因素造成位移和破坏，产生不必要损失。

3.7   屋面支撑的吊安

屋面支撑可使屋盖形成整体的空间骨架，在施工和正常使用时保证构件的稳定和安全，屋面支撑一般采用20?mm圆钢，屋面支撑端部与钢架梁连接时采用专用楔形垫件，且应将花篮螺栓紧固到位。

3.8   压型钢板永久底模的技术及吊装 要求

（1）压型钢板的材质和型号。

压型钢板底模，即楼承板底模，一般分为开口式和闭口式2类，材质和型号应按图纸设计选用，一般采用YX75-230-690-1.0镀锌压型钢板兼做底模，开口式是同类板型中受力最好的，确保底模有足够强度、刚度和稳定性。

（2）压型钢板永久底模的排版和下料。

浅圆仓顶盖为锥形壳板，采用BIM技术进行排版设计，板块为等腰梯形，环向按2跨1块，坡向按17块下料，下料时必须考虑压型钢板在钢梁上的支撑长度≥50mm，同时在加工厂应1∶1放样加工，确锥形壳板底模安装尺寸吻合，压型钢板永久底模按钢架梁形成的坡面，沿环向铺设。  

（3）压型钢板永久底模的安装。

安装前，应按BIM排版图纸和加工单编号，防止错用，按“自下而上，环向铺设，完善边角”的顺序安装，压型钢板在钢梁上支撑长度应≥50mm，并点焊固定牢固。

1）压型钢板吊运：吊运时使用专用软吊索，确保压型钢板底模板材不变形、不卷边和不损坏。

2）边角切割要求：环形钢架梁等封边处，选用等离子切割机或剪板钳裁剪边角，裁切放线时富余量应在5mm范围内，尽量保留肋部和切割吻合，在消除板缝漏浆的同时，确保仓底板的美观。

3）洞口处补强处理：由于浅圆仓工艺要求，预留洞较多，工艺洞口采用现场切割的方式留设，且应按洞口尺寸对应的加强措施节点图补强，并及时进行洞口安全防护，谨防洞口高空坠落事故发生。

（4）细部节点技术措施。

1）抗剪栓钉设置：栓钉在组合结构中起抗剪与连接锚固的作用，要求如下。

技术参数要求：直径≥16mm，栓钉长≥100mm；设置与焊接要求：在钢架梁与压型钢板交接处的凹肋内设置抗剪栓钉，每肋每跨均设置2个，栓钉焊接时应穿透压型钢板，焊在钢梁上。

2）测温等粮情监控套管、埋件设置：应设置在凹肋内，位置按图纸设计可进行微调，同时增加加固钢筋焊接牢固。

3.9   壳板钢筋绑扎

楼承板钢筋多采用工厂内采用专用设备加工成钢筋桁架，再将钢筋桁架与压型镀锌钢板焊接成一体，形成组合结构体系。由于浅圆仓顶盖为正截锥形壳异型结构，只能现场制作、绑扎形成桁架，其主要技术及操作要点如下。

1）壳板钢筋制作：正截锥形壳楼承板钢筋主要由凹肋内下弦钢筋、上弦钢筋、腹杆钢筋（勾筋）、上部负筋和构造钢筋组成，应严格按图纸设计和国家现行规范加工。

2）壳板钢筋绑扎：凹肋内下弦钢筋一般配置2Φ10，顺环向绑扎在楼承板肋内，与勾筋、上部网片筋形成桁架，与楼承板底模焊接成一体，混凝土浇筑后形成组合结构体系。

浅圆仓仓上连廊支架柱、洞口上翻沿钢筋应严格按图纸设计预留插筋，严禁遗漏。

壳板钢筋绑扎完成后，应及时设置钢筋垫块，确保钢筋位置准确，且混凝土浇筑过程中严禁踩踏变形。

3.10   壳板混凝土浇筑

采取汽车泵和“对称、均衡、由下往上成坡”浇筑的方案，严禁混凝土堆积形成集中荷载，造成安全隐患。

4   结束语

浅圆仓为典型构筑物，其仓顶盖为正截锥形壳特殊的几何体，需高空、大跨和重荷施工，为具有代表性的“危大工程”。统筹设计和施工2个阶段，选择技术先进、经济合理的正截锥形壳的结构类型，是提高结构可靠度，保证工程质量和施工安全的最佳途径。本文以实例剖析了浅圆仓正截锥形壳的4种结构体系及对应施工方案，在浅圆仓仓径和高度越来越大背景下，详细阐述了钢–混凝土组合结构锥形壳的优势和施工关键技术，在国家大力推广绿色装配式建筑产业的政策下，具有重要的推广价值。