趙小童， 胡宗軍， 張衛(wèi)星

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第二工程公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

雙曲線冷卻塔是火力和核力發(fā)電中使用的超大型冷卻設(shè)備，其施工方法和安全性是冷卻塔建造過(guò)程中的重難點(diǎn)，引發(fā)了學(xué)者廣泛的分析和研究。竺召煒[1]探討了三種冷卻塔施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)。張衛(wèi)東等[2]針對(duì)實(shí)際工程中外伸剛性環(huán)施工三角架支撐體系剛度不足的問(wèn)題，提出可靠的整體加固方案。張厚先等[3]探討了施工過(guò)程中不同施工工況對(duì)支撐桁架穩(wěn)定性的影響。胡婷等[4]對(duì)冷卻塔環(huán)梁處的施工桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并加以優(yōu)化。徐亮等[5]對(duì)環(huán)梁及X柱分段現(xiàn)澆過(guò)程中兩種施工支架結(jié)構(gòu)搭設(shè)方案進(jìn)行分析，得出環(huán)形滿堂式結(jié)構(gòu)更為合理。劉東華[6]對(duì)冷卻塔外伸剛性環(huán)進(jìn)行分析，指出在剛性布置合理的情況下，其厚度與寬度到達(dá)一定程度后，冷卻塔的屈曲因子將不再隨之增加而增加。

目前冷卻塔建設(shè)中常用的施工方法為三角架翻模施工法，具有操作簡(jiǎn)單、模板拼縫少、工期短、成本低、施工質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。當(dāng)施工至冷卻塔塔頂外伸剛性環(huán)處，三角架承受的荷載顯著增大，其施工支架安全問(wèn)題尤為突出?！?1·24”江西豐城電廠冷卻塔施工平臺(tái)倒塌事故更是為冷卻塔安全施工敲響了警鐘[10-12]。

本文以某雙曲線冷卻塔外伸剛性環(huán)澆筑為例，使用有限元法分析了三種三角支撐結(jié)構(gòu)的加固方案。如圖1所示，完整的一榀三腳架是由內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩部分三腳架組成的，其中，內(nèi)側(cè)三角架主要支撐裝載混凝土的小車及施工人員，外側(cè)三角架主要承擔(dān)剛性環(huán)的自重。每層三角架外側(cè)由腳手管相連，起傳遞荷載和增加穩(wěn)定性的作用。

1 模型建立

外伸剛性環(huán)施工時(shí)混凝土澆筑及鋼筋重量主要由筒壁外側(cè)上層三角架承擔(dān)，并通過(guò)外端腳手管傳導(dǎo)至下方三角架。但外端腳手管無(wú)法有效緩解上層三角架的應(yīng)力。有限元計(jì)算結(jié)果表明，在本工程外伸剛性環(huán)施工時(shí)，筒壁外側(cè)三角架最大拉彎組合應(yīng)力為366.8 MPa，位于三角架頂端水平桿中部，遠(yuǎn)超Q235鋼材的設(shè)計(jì)值205 MPa；頂端水平桿最大位移為9.28 mm，超過(guò)許用位移5 mm。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均不滿足要求，現(xiàn)擬定三種加固方案。

1.1 施工方案

1.1.1 方案1

方案1采用與腳手管截面相同的桿件作為附加傳力桿件，與三角架中的水平桿相連，將上下3層連為整體。為了確定附加豎桿在三角架中最佳加固位置區(qū)域，本方案根據(jù)附加傳力桿件與筒壁處豎向桿之間的距離x選取了13個(gè)加固位置，如圖2所示。

圖2 方案1加固桿件位置變化示意圖

1.1.2 方案2

方案2采用與腳手管截面相同的桿件作為附加斜向傳力桿件，其底端抵住筒壁處豎向桿，與第二層的豎向桿、水平桿和第一層水平桿相連，使結(jié)構(gòu)成為整體。根據(jù)斜向傳力桿件與第一層水平桿的連接位置分為兩個(gè)工況：①工況1，斜向傳力桿件與第一層水平桿最外端相連接；②工況2，斜向傳力桿件與第一層水平桿中部相連接，如圖3所示。

圖3 方案2斜向力桿位置變化

1.1.3 方案3

方案3更換施工順序，附加承力鋼絲繩。原施工步驟為：①建造外伸剛性環(huán)；②待外伸剛性環(huán)混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，在筒壁處澆筑塔頂女兒墻。更改施工順序后的施工步驟為：①澆筑剛性環(huán)外伸總長(zhǎng)度一半和女兒墻，在女兒墻內(nèi)預(yù)埋拉索；②待強(qiáng)度達(dá)到要求后，將預(yù)埋拉索與外側(cè)三角架上層水平桿中部連接，澆筑剩余剛性環(huán)，如圖4所示。

圖4 方案3加固方案示意圖

1.2 有限元建模計(jì)算

三角架支撐體系是圍繞冷卻塔筒壁的圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可利用MIDAS Civil有限元軟件對(duì)一榀三腳架進(jìn)行建立3種加固方案的數(shù)值模型，共2 871個(gè)單元，1 463個(gè)節(jié)點(diǎn)，分多個(gè)施工步進(jìn)行計(jì)算其力學(xué)特性。該有限元模型采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬水平桿、豎向桿、斜撐桿和腳手管，主要材料為Q235鋼。模型中整體坐標(biāo)系為空間直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于三角架底端，x軸沿筒壁切線方向，y軸沿筒壁徑向，z軸沿豎直方向。由于相鄰兩榀三角架之間以環(huán)向腳手管在水平桿外端點(diǎn)處進(jìn)行連接，故在模型相應(yīng)位置處約束x方向位移。豎向桿與模板之間以圍檁相隔，在模型相應(yīng)位置處約束y方向位移。對(duì)拉螺桿經(jīng)預(yù)埋管穿過(guò)筒壁連接內(nèi)外兩側(cè)三角架，模型中約束對(duì)拉螺桿x、z方向位移。水平桿、豎向桿、斜撐、對(duì)拉螺桿之間以螺栓進(jìn)行連接，腳手管及附加桿件與三角架結(jié)構(gòu)以扣件進(jìn)行連接，因此模型中各個(gè)桿件相交節(jié)點(diǎn)采用鉸接的方式進(jìn)行連接。

在剛性環(huán)施工過(guò)程中，整個(gè)三角架所承受的荷載為剛性環(huán)的自重、內(nèi)側(cè)小車和施工荷載等。將剛性環(huán)的自重等效為線荷載，小車、施工人員、鋼模板、吊架等效為節(jié)點(diǎn)荷載。按照安全要求，對(duì)剛性環(huán)自重施加了1.1倍的沖擊系數(shù)和1.2倍的荷載分項(xiàng)系數(shù)，其他荷載施加了1.2倍的荷載分項(xiàng)系數(shù)。

2 計(jì)算分析

2.1 方案1計(jì)算分析

圖5為附加桿件和筒壁豎向桿之間距離x=0 mm(未加固狀態(tài))和700 mm時(shí)，外側(cè)三角架結(jié)構(gòu)拉彎組合應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果。圖6為隨附加桿件和筒壁豎向桿之間距離x變化，外側(cè)三腳架水平桿、豎向桿的最大拉彎組合應(yīng)力、位移及附加桿件軸力變化曲線。

圖5 方案1外側(cè)結(jié)構(gòu)代表工況計(jì)算應(yīng)力、位移變化云圖

圖6 方案1各構(gòu)件拉彎組合應(yīng)力、位移、軸力隨距離x變化曲線圖

未加固狀態(tài)下，外側(cè)三角架上層水平桿中部并未與其他桿件進(jìn)行連接，強(qiáng)度和剛度不足，水平桿中點(diǎn)處應(yīng)力和位移最大。從圖5中各個(gè)桿件的最大拉彎組合應(yīng)力、位移、軸力變化趨勢(shì)可知，附加傳力桿件可將荷載有效傳遞至整個(gè)三角架結(jié)構(gòu)中。當(dāng)附加傳力桿件位于水平桿中部，即x=700 mm時(shí)，外側(cè)三角架上下3層水平桿位移相近且上層水平桿位移最小，結(jié)構(gòu)最大拉彎組合應(yīng)力、位移最小，外伸剛性環(huán)施工荷載均勻分配到3層三腳架上，剛性環(huán)一側(cè)應(yīng)用附加傳力桿加固的3層三角架支撐結(jié)構(gòu)整體性能最好。

2.2 方案2計(jì)算分析

方案2種的工況1為部分冷卻塔建造工程項(xiàng)目中外伸剛性環(huán)施工時(shí)三角架支撐結(jié)構(gòu)常用的加固布置方案，工況2是將斜向傳力桿件與上層水平桿中點(diǎn)處(方案1最優(yōu)位置)相連。兩種方案外側(cè)三腳架的拉彎組合應(yīng)力和位移結(jié)果如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)兩種工況均可增強(qiáng)上、中2層三腳架的整體強(qiáng)度和剛度，緩解上層水平桿應(yīng)力和位移。

圖7 方案2各工況計(jì)算應(yīng)力、位移變化云圖

比較工況1與未加固狀態(tài)下的三腳架的應(yīng)力和位移結(jié)果可知，附加斜向桿件可以有效降低斜撐桿的應(yīng)力，但無(wú)法有效降低上層水平桿的應(yīng)力及位移；工況2中斜向傳力桿與上層水平桿中點(diǎn)相連的方案能夠有效降低上層水平桿應(yīng)力及位移。與方案1的最優(yōu)結(jié)果相比，工況2中剛性環(huán)一側(cè)拉彎組合應(yīng)力及位移較小，其對(duì)增加外伸剛性環(huán)施工過(guò)程中底部三角架支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度優(yōu)于加固方案1。

2.3 方案3計(jì)算分析

圖8為更改施工順序后不同施工階段外側(cè)三腳架的拉彎組合應(yīng)力和位移云圖。由圖8可知，最危險(xiǎn)狀態(tài)為施工階段2，即剛性環(huán)后半段混凝土澆筑時(shí)。此時(shí)施工階段1澆筑的女兒墻及前半段剛性環(huán)已達(dá)強(qiáng)度要求，三角架上層水平桿發(fā)生較小位移。預(yù)埋拉索一端連接女兒墻，另一端連接外側(cè)三角架上層水平桿，將剛性環(huán)后半段施工荷載傳導(dǎo)至女兒墻處。由圖8可知，拉索可以有效降低施工階段2處后半段剛性環(huán)施工荷載對(duì)三角架上層水平桿的不利影響，但該方案改變施工順序，使得施工過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。

圖8 方案3個(gè)各工況計(jì)算應(yīng)力、位移變化云圖

3 結(jié)果分析

將上述三種方案中外側(cè)三角架最大拉彎組合應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果加以匯總，見(jiàn)表1。

表1 三種加固方案最優(yōu)工況的應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)

由表1可知：

(1) 應(yīng)力方面，三種方案均可有效降低上層水平桿拉彎組合應(yīng)力，其中無(wú)論是豎向桿還是水平桿，方案2對(duì)于拉彎組合應(yīng)力的改善效果優(yōu)于另外兩種方案。

(2) 位移方面，因方案2中附加斜向傳力桿件下端抵住已達(dá)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的冷卻塔筒壁處，使得該方案外側(cè)三角架桿件位移降低明顯優(yōu)于其他方案。

(3) 施工難度方面，方案1、2均將附加傳力桿件以扣件連接的形式搭外側(cè)三角架桿件，但方案1需搭接上下3層水平桿，而方案2僅在前2層進(jìn)行斜向施工，方案2操作難度與方案1相比有所減弱，而方案3則更改施工順序，并將剛性環(huán)分為兩部分進(jìn)行施工，致使施工難度加大，施工人員需重新規(guī)劃施工方案，易造成工期延長(zhǎng)。因此，三種加固方案中，無(wú)論從外側(cè)三角架各類桿件的拉彎組合應(yīng)力、位移改善情況，還是從施工難度進(jìn)行分析，加固方案2優(yōu)于其余兩種方案。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)有限元軟件對(duì)雙曲線冷卻塔外伸剛性環(huán)施工支撐體系進(jìn)行加固分析，提出3種加固方案以提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，保證施工安全。主要結(jié)論如下：

(1) 在外伸剛性環(huán)施工時(shí)，三角架支撐體系所承受荷載較筒壁施工時(shí)所承受荷載相對(duì)偏大，導(dǎo)致三角架上層水平桿應(yīng)力過(guò)大，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加固，加強(qiáng)三角架結(jié)構(gòu)的整體性。

(2) 根據(jù)方案1中13種三角架加固設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，得出在附加桿件和筒壁豎向桿之間的距離為7 00 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)整體性能最優(yōu)。

(3) 當(dāng)附加桿件和預(yù)埋拉索與三角架上層水平桿連接點(diǎn)位置相同時(shí)，綜合比較了三種加固方案的有限元分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剛性環(huán)一側(cè)三角支撐架結(jié)構(gòu)在方案1中位移較大，在方案3中拉彎組合應(yīng)力略大。從施工角度分析，方案1與方案2施工難度基本相同，方案1較方案2耗材較多，而方案3更改了施工順序，增加了施工難度，綜合考慮，方案2中工況2的加固措施優(yōu)于其他方案，即利用斜向傳力桿與上層水平桿中部相連，將剛性環(huán)施工荷載傳遞至筒壁處方案最優(yōu)。