(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

造粒塔作為尿素裝置中重要的大型化工設備，其整體設計包含工藝方案、結構選型、地震驗算、施工技術、防腐措施等各個方面。近年來，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展、化工產(chǎn)能的逐漸擴大，造粒塔直徑不斷增大，高度不斷增高；另外，由于環(huán)保要求的提高，除塵及節(jié)能裝置更新?lián)Q代，設備質量體積相應升級，造成噴頭層承受荷載與以往相比大大增加。在造粒塔建造過程中，塔壁一般采用滑模施工，噴頭層則利用高空施工平臺方式搭設，按照國家有關規(guī)定及要求，以上內(nèi)容均屬于危大工程(危險性較大工程的簡稱)的范疇，需要指出重點部位和環(huán)節(jié)，有必要進行專項設計[1]。

造粒塔噴頭層距地面高度高、跨度大，底面以下全部為空筒(至少在50 m以上)，屬于典型的高空大跨度結構。由于現(xiàn)在造粒塔的直徑大多超過了24 m，噴頭層結構的設計必須符合危大工程相關安全要求：不但要滿足自身結構安全，還需考慮整個復雜施工過程荷載變化對施工安全的影響。

目前，造粒塔噴頭層主受力結構設計多采用一字形型鋼混凝土大梁，或者是鋼筋混凝土井字梁、輻射梁體系。

由于噴頭層施工高度較高，傳統(tǒng)的腳手架施工方式已不適用，目前多使用滑模施工法，施工面主要采用3種平臺結構：裝配式滑模平臺結構、大直徑變結構滑模平臺結構、挑架式柔性操作平臺結構[2]。

通過對比傳統(tǒng)施工平臺結構，噴頭層施工大部分采用輻射鋼桁架結構形式。以裝配式滑模平臺結構為例(見圖1)，其采用剛性圈輻射桁架平臺，即輻射鋼桁架與中心鋼性圈相連，節(jié)點連接較多，且使用范圍小于26m。對于超過26m的平臺結構，目前采用變結構滑模平臺結構(見圖2)，其實質是裝配式滑模平臺的升級版——通過設置上下兩層弦桿，以加大中心剛性圈的剛度，并加大桁架高度以提高桁架剛度及承載力。挑架式柔性操作平臺結構只針對滑模施工，不適用于噴頭層結構的施工。

圖1 裝配式滑模平臺結構

圖 2 大直徑變結構滑模平臺結構

本文提出一種雙層疊合桁架式結構形式，與噴頭層結構設計緊密結合，形成新型的受力結構，旨在滿足結構穩(wěn)定性、功能性的前提下，優(yōu)化設計，節(jié)省費用，保證此類危大工程施工安全。以下通過實際工程來展示這種新型噴頭層的應用情況。

1 工程概況

本工程為晉開化工百萬噸總氨項目配套尿素工程尿素裝置造粒塔，造粒塔直徑(內(nèi)徑)26m，造粒塔主筒體頂標高為116.800m，樓梯間頂標高為124.100m?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土筒結構，標高21.600m以下，筒壁厚550mm，樓電梯外壁厚250mm；標高21.600m以上，筒壁厚350mm，樓電梯外壁、內(nèi)壁厚均為200mm。

噴頭層與其屋面設計采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構，兩側混凝土勁性深梁橫貫整個造粒塔形成主受力構件支撐，在施工階段，由其中鋼骨即鋼桁架支撐全部質量，在完成各個施工階段之后，由混凝土深梁承受全部設計荷載。

2 結構分析與施工階段劃分

從桁架到達指定位置到最終形成受力構件，施工荷載不斷變化，分析相應設計荷載，針對不同結構體系，將整個施工過程分為5個階段。

第一階段：第一層子桁架隨著滑模提升到位，作為施工操作承載體系；第二階段：在第一階段已經(jīng)提升到位的第一層子桁架上組裝第二層子桁架，形成雙層鋼桁架；第三階段：鋼桁架組裝完成后，澆注下半段鋼桁架和噴頭層底的混凝土；第四階段：待第三階段混凝土達到設計強度之后，澆注全部混凝土，形成主受力構件——高空大跨度多層桁架式型鋼混凝土組合深梁；第五階段：深梁混凝土達到設計強度，承受施工、噴頭層結構、上部內(nèi)排風筒結構、安裝設備等全部荷載。

3 雙層桁架疊合式平臺結構形式

第一階段時，將兩榀一層子桁架加工成型后，通過吊裝支撐在塔壁上，其位置與噴頭層結構深梁的位置保持一致。子桁架在每側設置千斤頂，與平臺結構同時滑模上升。達到預定高度后就位安裝上層子桁架，形成雙層桁架疊合式平臺，其承載著噴頭層整個施工階段的荷載。結構形式見圖3、圖4[2]。

圖3 第一層子桁架

圖4 疊合式桁架注：1—上弦桿；2—直腹桿；3—下降式斜腹桿；4—下弦桿；5—加強板；6—塔壁；7—預留拼接接頭；8—埋入式端柱；9—第一層子桁架；10—第二層子桁架。

4 設計難點

(1)鋼桁架驗算。雙層鋼桁架的形式特殊，有別于普通桁架，但受力特點遵循上部受壓、下部受拉的原則。為了更好地顯示其受力性能，將這個結構形式進行有限元計算，并加入到造粒塔模型一并考慮。不但觀察其內(nèi)力分布，而且對支座內(nèi)力及造粒塔塔壁影響進行分析，考慮塔壁局部加強措施。

(2)塔壁影響。當鋼桁架的受力形式向型鋼混凝土梁的受力形式逐漸轉變時，意味著結構體從塔壁的支點連接過渡為延塔壁豎向的整體連接，通過對比同等工況下的鋼桁架和混凝土梁塔壁受力情況給出結論。另外，當勁性混凝土大梁形成后，由于上部荷載的變化，為塔壁受力相應變化，也提供了依據(jù)。

為了更好地分析結果，按照本項目實際情況，利用SAP2000軟件，將造粒塔及相應結構構件在不同工況下的受力情況進行模擬。

5 有限元整體結構設計

5.1 主要計算參數(shù)

①結構設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，結構重要系數(shù)r0=1.0；②本工程場地類別為Ⅱ類，場地土為中軟土；③本工程地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震分組為第一組，本工程建筑抗震設防類別為丙類；④混凝土強度等級為C35。

5.2 荷載

①設計活荷載：樓梯及樓梯平臺為3.5kN/m2；噴頭層、塔頂屋面為3.0kN/m2；②溫度荷載：其中，月平均最低氣溫為-5℃，造粒塔內(nèi)部最高溫度按80℃考慮；③基本風壓：0.45kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓：0.35kN/m2；④平臺荷載：吊平臺自重(恒載為40.8kN/m2，包括吊桿、平臺木跳板及鋼管方格網(wǎng))、吊平臺貨物堆放荷載及人員活動荷載(活載為2kN/m2)。

5.3 工況組合

主要考慮施工狀態(tài)下的荷載組合：11.2(恒)+1.4(活)；②1.35(恒)+1.4×0.7(活)。

5.4 雙層鋼桁架驗算

本次危大工程設計分兩階段：第一階段為雙層桁架組裝過程中，單層桁架作為施工平臺結構所承受的荷載驗算；第二階段為雙層桁架組裝完成后，混凝土分段澆筑過程中整個結構的受力情況。雙層鋼桁架與造粒塔模型見圖5。

圖5 雙層鋼桁架與造粒塔模型

危大工程設計重點是對雙層鋼桁架本身承載力進行了計算。當按照最不利荷載組合，考慮4.5m高混凝土荷載作用在雙層結構之上時，計算桿件最大內(nèi)力，軸向壓力為1 779kN，軸向拉力為1 842kN，鋼桁架最大應力比上弦桿為0.66，下弦桿為0.59，斜腹桿為0.72；考慮7m高混凝土荷載作用在雙層結構之上時，計算桿件最大內(nèi)力，軸向壓力為2 633kN，軸向拉力為2 643kN，鋼桁架最大應力比上弦桿為0.96，下弦桿為0.92，斜腹桿為0.99。

按照實際情況，鋼桁架下弦中心線對應噴頭層底部即造粒塔高100m的位置。為了更好地對比，選擇桁架澆筑混凝土至4.5m以及7.5m時，整體鋼桁架沿塔壁高度方向受力對比見表1。

表1 澆筑4.5m與7.5m高混凝土時雙層鋼桁架對塔壁的影響比較

5.5 混凝土深梁驗算結果

為了考察混凝土深梁結構在驗算中承擔的作用，對4.5m及7.5m高的混凝土深梁進行計算，看其在同等荷載條件下與雙層鋼桁架相比對塔壁的影響(見表2)。

表2 澆筑4.5m與7.5m高混凝土深梁對塔壁受力影響比較

6 計算結果分析

6.1 鋼桁架驗算

在單層桁架隨滑模上升過程中，考慮在足夠的安全前提下，應盡量減輕自重。

雙層鋼桁架高空組裝完成后，由于其在澆筑過程中桁架內(nèi)力較大，應考慮減少弦桿或腹桿平面外長度或混凝土澆筑分段施工方式，保證結構穩(wěn)定性。

6.2 各階段內(nèi)力比較

在雙層鋼桁架受力體系下，塔壁不同位置的內(nèi)力數(shù)據(jù)顯示：①塔壁承受最大豎向力發(fā)生在上弦桿下方約500mm位置，其次豎向力為中間弦桿下方，下弦桿下方內(nèi)力變化不明顯；②由于弦桿上部受壓，下部受拉，引起整個塔壁環(huán)向受力上部為受壓區(qū)，下部為受拉區(qū)，中間弦桿位置受力較??；③塔壁環(huán)向彎矩和豎向彎矩明顯受到受壓區(qū)與受拉區(qū)的影響，兩種荷載情況下，整個截面受力形式類似。

在混凝土深梁受力體系下，圖示數(shù)據(jù)顯示：①沿端部截面所有豎向軸力集中在造粒塔100m高度位置。通過分析，這主要是因為建模過程中將深梁端部與塔壁連接設置為剛性連接，而導致整個端部成為一個“剛體”，不再顯示內(nèi)力變化。即使考慮內(nèi)力擴散效應，深梁底部的壓應力依然很大；②與鋼桁架受力體系類似，塔壁在深梁截面范圍依然表現(xiàn)出上部受壓、下部受拉的受力特點。另外，其豎向彎矩同樣由于剛體的原因并沒有顯示。

6.3 第三階段結構成型后受力分析

第三階段結束后，整個結構存在兩個受力體系：一個是下部型鋼混凝土深梁結構，另一個是作為骨架的雙層鋼桁架。為保證整體結構安全，已針對兩個不同結構分別進行驗算，保證上部型鋼滿足受壓要求，下部深梁滿足配筋及變形要求。在整個施工過程中，恒載主要為模板和混凝土自重，活荷載則顯示為施工人員操作荷載。按照軟件分析結果，第二階段型鋼混凝土成型后，桁架底層弦桿存在不可逆轉的彎曲變形(見圖6)；因此在第三階段混凝土澆筑過程中，應考慮底部弦桿的初始彎曲變形對結構造成的影響。具體計算結果見圖7。

圖6 第二階段完成時的變形影響

圖7 考慮底層弦桿變形第三階段計算彎矩(D+L)

6.4 雙層鋼桁架與型鋼混凝土深梁結構承受相同荷載時各自對塔壁的受力分析

相同的荷載情況下，混凝土深梁結構(見圖8)與鋼桁架(見圖9)在塔壁上顯現(xiàn)出不同的受力情況。不論對于哪種結構，支座區(qū)域下方都需要按照所得數(shù)據(jù)驗算壓應力，由于受力原理不同，導致壓應力最大值位置截然不同，設計中需引起注意，對應位置宜按照計算結果采用受壓鋼筋加強。

圖8 混凝土深梁在塔壁上豎向軸力

圖9 鋼桁架在塔壁上豎向軸力

7 疊合式雙層鋼桁架設計

7.1 雙層鋼桁架體系與單層鋼桁架體系優(yōu)勢比較

目前，比較常見的有使用單層桁架作為施工噴頭層結構受力體系支撐，其拼接全部為高空組裝，構件截面較大，受力明確，形式簡單。為便于比較，按照同等條件設計的雙層鋼桁架體系與單層桁架體系見表3。

筆者注意到，在高空組裝該桁架時，必須借助提前搭設的施工平臺，否則無法保證高空組裝的安全性，也必然導致其造價相對較高。相對比，雙層鋼桁架形式雖略復雜，但在施工應用過程中取消了高空搭設平臺這一環(huán)節(jié)，既能減少相應費用，又可取消危險作業(yè)環(huán)節(jié)，為施工專項方案提供有力保證。同時，由于組裝構件截面較小，安裝質量也相對容易保證。

表3 雙層鋼桁架體系與單層鋼桁架體系對比

7.2 雙層鋼桁架體系平面外穩(wěn)定問題

計算單層鋼桁架時，平面外取兩個節(jié)間，每隔兩個節(jié)間設置橫向支撐，保證穩(wěn)定性。

雙層鋼桁架拼接完成之后，為保證7m高的桁架有足夠的側向穩(wěn)定性，每隔桁架一個節(jié)間設置槽鋼剪刀撐，高度同桁架。

7.3 噴頭層結構的混凝土澆筑(設計要求)

噴頭層在混凝土澆筑過程中應采用分段澆筑的方式，在計算中雙層鋼桁架對結構安全性的保證為澆筑4.5m混凝土以下荷載，之后荷載將逐漸轉移至深梁受力體系承受。因此，下段澆筑完成28d、混凝土達到強度之后，方可進行上段澆筑。推薦采用在高度為1.6m、4.5m、7m位置分3次澆筑完成。

7.4 塔壁局部加強措施

根據(jù)鋼桁架以及深梁計算結果，明確塔壁局部受力較大位置為雙層桁架上下弦的3個支撐點下方，無需整體提高塔壁壁厚。塔壁采取如下加強措施：①對上述受力較大位置設置附加抗壓鋼筋，范圍是高度1～2m，提高混凝土抗壓承載力；②增加深梁與塔壁相交處水平方向腋角并設置抗裂鋼筋，擴大端部內(nèi)力消散范圍。

8 結語

本文圍繞造粒塔及噴頭層設計，針對大跨度結構設計及施工組織，利用有限元軟件進行了一系列計算分析。分別對噴頭層受力結構、施工平臺結構、塔壁結構進行了充分的設計優(yōu)化，考慮不同施工階段各種工況，對一些重要環(huán)節(jié)進行專項設計，并提供相應理論依據(jù)。目前，本工程已經(jīng)完工，新型施工平臺及噴頭層設計的應用，遵照危大工程安全管理規(guī)定的要求，符合設計施工相統(tǒng)一的原則，其造粒塔噴頭層設計新理念會將大跨度結構設計帶向更加廣闊的應用領域。