彭 曉 闖

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火電廠、核電站的循環(huán)水自然通風冷卻塔是一種大型薄殼型構(gòu)筑物。建在水源不十分充足的地區(qū)的電廠，為了節(jié)約用水，需建造一個循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，以使得冷卻器中排出的熱水在其中冷卻后可重復(fù)使用。大型電廠采用的冷卻構(gòu)筑物多為雙曲線型冷卻塔[1]。雙曲線型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強度比較高，節(jié)約材料，容積相對較大也比較美觀，這種造型有利于氣流順暢流通和對流冷卻，收效明顯。冷卻塔用水作為循環(huán)冷卻劑，從某一個系統(tǒng)里面吸收熱量排放到大氣，以降低水溫的裝置。

其利用水與空氣流動接觸后進行冷熱交換然后會產(chǎn)生蒸汽，蒸汽揮發(fā)帶走熱量達到蒸發(fā)散熱、對流傳熱和輻射傳熱并以此來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱來降低水溫的蒸發(fā)散熱裝置，以保證系統(tǒng)的正常運行。

1 工程背景

雙曲線冷卻塔名義上為雙曲線形，實際上，工程實踐中不是完全按照曲面的幾何形狀去施工，實際的施工中曲面大多是采用分節(jié)施工的辦法，給定筒壁母線半徑和壁厚然后用多段平面鋼模板去逼近。因此，其最終形狀和雙曲線型的母線是有所差異的，現(xiàn)如今的塔形是材料特性、優(yōu)化設(shè)計和工程實踐相互影響的結(jié)果，嚴格來說和幾何上的雙曲面有差異[2]。

所有的薄殼曲面結(jié)構(gòu)都具有高強度和節(jié)省材料的特點，而在材料性能滿足的條件下，節(jié)省材料也意味著材料對于結(jié)構(gòu)整體的重要性很大，混凝土作為澆筑性質(zhì)材料，澆筑后不宜隨意拆除、隨意改變原始截面，改變截面導(dǎo)致受力情況變化，很可能產(chǎn)生意想不到的安全事故。故采用適合的有限元軟件用來分析截面局部拆除較為恰當。

山西臨汾市某冷卻塔高70 m，寬約56 m，底部有“人”字柱共計40對，現(xiàn)新進機械設(shè)備較大，無法正常搬運進入冷卻塔內(nèi)部，甲方綜合考慮后采取了裁掉一對“人”字柱的方案，并同時新增兩根豎向混凝土柱，拆掉后空間擴大機械設(shè)備方可進入塔內(nèi)，進而不影響工廠正常運作。本次改造雖僅涉及一對原混凝土人字柱，因該塔較為龐大，人字柱作為連接構(gòu)件連接著冷卻塔上部結(jié)構(gòu)與環(huán)形基礎(chǔ)，承受著上部塔身的自重以及其余荷載，重要性不言而喻。圖1為冷卻塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖。

2 建模分析

本文將采用MIDAS作為結(jié)構(gòu)分析軟件進行分析核算，冷卻塔高70 m，環(huán)梁直徑56 m，通風筒頂部直徑34 m，人字柱共40對，柱高4.3 m。其余結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

將冷卻塔中的各個構(gòu)件分別簡化為模型中的相應(yīng)構(gòu)件，將環(huán)梁、人字柱用梁單元模擬，環(huán)梁截面為700 mm×750 mm，人字柱及新增混凝土柱截面均為D400。將塔筒以支柱數(shù)目的2倍進行環(huán)向分割，截面采用板單元，厚度為變截面，底端厚400 mm，頂端厚200 mm，新增混凝土柱采用C35混凝土，其余材料均采用C30鋼筋混凝土。模型荷載采用結(jié)構(gòu)自重、風荷載、溫度荷載三種工況，風荷載基本風壓采用0.4 kN/m2，溫度荷載為梯度荷載。人字柱底端邊界采用固結(jié)連接。計算模型見圖2，圖3。模型中刪掉一對人字柱后在原節(jié)點處新增了兩根混凝土柱，直徑同原柱。

經(jīng)過軟件計算分析，新增兩根混凝土柱的應(yīng)力主要變化為Fx軸力變化，原人字柱的軸力507 kN，新增混凝土柱子軸力為587 kN，其余方向應(yīng)力改變不大。對比各個工況下結(jié)果，以自重工況下的結(jié)果為主?；炷翍?yīng)力結(jié)果見圖4～圖6。

拆除原人字柱并新增混凝土柱后，在改造位置對于原有混凝土環(huán)梁的影響主要為Mx應(yīng)力方向的應(yīng)力變化，原有40對人字柱構(gòu)成的底部承重結(jié)構(gòu)較為均勻，待拆除一對人字柱新增混凝土柱后形成了新的應(yīng)力集中，由計算結(jié)果可知，在拆除人字柱周邊各兩跨內(nèi)應(yīng)力變化較為明顯，兩跨以外影響基本可以忽略。新增柱頂處的環(huán)梁X方向負彎矩由原有2.0 kN·m增大為3.6 kN·m。環(huán)梁應(yīng)力結(jié)果見圖7～圖9。

支座反力結(jié)果見圖10，可知支座反力由876 kN增加為954 kN，增加了約8.9%。綜上所述，拆除原有雙曲線冷卻塔一對人字柱并新增混凝土后，對環(huán)梁的局部受力影響較為明顯，影響范圍大致集中在拆除位置每側(cè)各兩跨，兩跨以外的范圍影響較小可以忽略。另外，改造后的新混凝土柱底的支座反力相比較原人字柱新增了約8.9%，而緊挨著改造處的原有人字柱支座反力由于新混凝土柱分擔了一點豎向力反而略有減少。新增混凝土柱的配筋可根據(jù)軸力參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行配筋設(shè)計。

3 加固方案

本次方案采取先加固后拆除的方案，先在拆除部位新增豎向混凝土柱，待強度達到要求后再對原人字柱進行靜力切割，現(xiàn)場方案見圖11，圖12。在對原有圖紙鋼筋混凝土構(gòu)件進行配筋核查后，發(fā)現(xiàn)原有鋼筋滿足改造后的應(yīng)力變化，但為了保險起見，對改造位置及兩側(cè)各四跨的環(huán)梁進行粘貼鋼板加固，此外新增柱頂與環(huán)梁應(yīng)可靠連接，相關(guān)做法可采用增設(shè)支點加固法[3]或參考其余相關(guān)加固規(guī)范。

此外，由于常年使用冷卻塔塔筒根部內(nèi)外壁存在混凝土腐蝕現(xiàn)象，局部有輕微裂縫存在，為了避免腐蝕現(xiàn)象進一步擴大，確保塔體安全，提高塔筒整體延性，擬采用碳纖維加固方案，加固范圍為環(huán)梁頂部3 m。碳纖維具有較強的抗拉性能，易于施工，表面經(jīng)刷防腐涂層后不影響冷卻塔外觀及視覺效果。對于碳纖維加固主要包括3個步驟：

1)表面處理。

先清除塔筒表面浮漿等雜質(zhì)，然后將環(huán)氧膠泥對表面裂縫進行修補，并打磨平整。刷底層樹脂、粘貼碳纖維。

2)刷底層樹脂。

將要處理的混凝土表面涂刷樹脂層，待干燥后進行下一步工序。

3)粘貼碳纖維。

碳布選用300 g/m2，選擇多條密布的方式進行粘貼，每一條帶的寬度不大于200 mm，不得使用未經(jīng)裁剪成條的整幅織物滿貼。將涂有粘貼樹脂的碳纖維用手輕壓貼于需要粘貼的位置，使樹脂從兩邊溢出，保證密實飽滿。在碳纖維粘貼加固工序完成，待樹脂基本固化后，用膠泥對碳纖維粘貼邊緣進行找平。

由于冷卻塔使用環(huán)境的特殊性，粘貼纖維復(fù)合材料將不可避免的暴露在陽光下以及氣體介質(zhì)腐蝕，為此，其表面應(yīng)進行防護處理，以防止長期受陽光或介質(zhì)腐蝕，從而起到延緩材料老化、延長使用壽命的作用。另外除應(yīng)符合相應(yīng)的國家現(xiàn)行有關(guān)標準的規(guī)定采取專門的粘貼工藝和相應(yīng)的防護措施外，尚應(yīng)采用耐環(huán)境因素作用的結(jié)構(gòu)粘貼劑。

4 結(jié)語

冷卻塔作為大型工業(yè)建筑，結(jié)構(gòu)龐大受力復(fù)雜，對局部進行加固改造時應(yīng)采用有限元模型進行精確驗算分析，以此來指導(dǎo)加固設(shè)計方案，并應(yīng)采取與實際施工方法緊密結(jié)合的有效措施，保證改造加固后的結(jié)構(gòu)安全可靠。