0 引言

作為冷卻構(gòu)筑物的雙曲線型冷卻塔是一種大型薄殼結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于大型電廠的冷卻系統(tǒng)中[1]。大多數(shù)雙曲線型冷卻塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因其耐久性好、無(wú)需防腐處理且國(guó)內(nèi)施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞[2]。然而隨著時(shí)間的推移，雙曲線型冷卻塔的筒壁也會(huì)發(fā)生老化、磨損或者外因引起結(jié)構(gòu)損傷，從而威脅其安全性和可靠性[3。為了確保雙曲線型冷卻塔的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)常使用碳纖維復(fù)合材料、增設(shè)斜撐或橫梁、涂覆防銹蝕涂料、更換受損部分以及加裝內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)等方法進(jìn)行加固。

本文以一座需要采用置換混凝土加固法進(jìn)行修復(fù)的雙曲線型冷卻塔為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬分析，研究了冷卻塔筒壁需要開(kāi)出洞口部位的力學(xué)和變形特性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)置換原有的缺陷混凝土，使冷卻塔筒壁的承載能力和耐久性恢復(fù)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文研究的目的是為冷卻塔筒壁的加固設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)，確保冷卻塔結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，延長(zhǎng)冷卻塔的使用壽命，同時(shí)降低維護(hù)成本。

1冷卻塔及其加固工程概況

1.1冷卻塔技術(shù)數(shù)據(jù)

某發(fā)電廠冷卻塔是一座鋼筋混凝土雙曲線自然通風(fēng)式冷卻塔。塔高 99m ，塔底標(biāo)高 6.2m ，半徑 35.9m 傾斜角 17^° ，喉標(biāo)高 84.8m ，半徑 21.3m ，殼頂標(biāo)高105.2m ，半徑23.1m（均為中面尺寸）傾角度 6^° 。下部壁厚為 489mm ，中部壁厚為 168mm ，上部壁厚為 0.25m 無(wú)傾角。冷卻塔塔筒、環(huán)基、人字柱為C35鋼筋混凝土，主要受力鋼筋采用HRB400。

1.2環(huán)境情況

冷卻塔所在地區(qū)30年來(lái)最低氣溫為 -47^°C ，土壤最大凍結(jié)深度為 3.3m 。計(jì)算筒壁溫度作用時(shí)，混凝土的徐變系數(shù)取值為0.5。進(jìn)行塔筒的剛性環(huán)環(huán)向驗(yàn)算時(shí)，按照正常使用極限狀態(tài)下裂縫對(duì)剛度的影響，溫度效應(yīng)乘以0.6折減系數(shù)，不考慮混凝土的徐變系數(shù)。

1.3 風(fēng)荷載情況

冷卻塔所在地區(qū)最大風(fēng)速按百年一遇的最大高度10m處、10min平均時(shí)距計(jì)算，得到平均最大風(fēng)速為30.4m/s 。雙曲線型冷卻塔兼具超高層建筑和超大跨空間結(jié)構(gòu)自振頻率低、模態(tài)密集、阻尼比小等特點(diǎn)，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)[4-6]。

我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定的冷卻塔風(fēng)荷載計(jì)算公式如下：

ω_cz=β_zμ_sμ_zω₀

式中： ω_cz 為平均風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m² ）； β_z 為高度z 處的風(fēng)振系數(shù)，據(jù)相關(guān)規(guī)范取值1.5； μ_s 為風(fēng)荷載體型系數(shù)； μ_z 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)； ω_?0 為基本風(fēng)壓 （kN/m² 按百年一遇取值 0.5kN/m² ）。經(jīng)計(jì)算得知，在塔筒表面分布的最大風(fēng)荷載為 2400kN 0

1.4加固需求與加固方案

1.4.1加固需求

冷卻塔自下往上第15節(jié)筒壁（長(zhǎng)度約 96m ，高度約1.3m）出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，其混凝土表面疏松不密實(shí)、鋼筋外露，已不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。需要對(duì)缺陷部位的混凝土采取措施進(jìn)行處理。第15節(jié)筒壁中面底標(biāo)高為24.357m ，壁厚為 168mm ，中面半徑為 30.656m 。共58塊原施工模板，模板的尺寸為 1m×1.35m ，弧長(zhǎng)約為58m.

1.4.2 加固方案

擬采用置換混凝土的方案進(jìn)行加固，即鑿除舊混凝土并保留原有鋼筋，在加固區(qū)域置換新混凝土。第15環(huán)共有193塊板，施工過(guò)程中筒壁結(jié)構(gòu)完整性的保持率須超過(guò) 96% ，因此最多分兩組，每組連續(xù)鑿除3塊板。為確保冷卻塔筒壁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，需要對(duì)其加固部位的鑿除順序進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以保證施工的安全、質(zhì)量和效率。

2ANSYS有限元分析

2.1建立離散化分析模型

ANSYS計(jì)算模型中，塔筒選用She1163彈性殼單元。該單元既具有彎曲能力，又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。該單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。

斜支柱采用兩節(jié)點(diǎn)6自由度的Beam188空間梁?jiǎn)卧?，假定斜支柱與塔筒底部的剛性環(huán)梁為剛性連接，則設(shè)為She1163彈性殼單元。設(shè)冷卻塔來(lái)風(fēng)方向角為 0^° ，施加所選面的風(fēng)荷載，利用ANSYS有限元軟件對(duì)風(fēng)載荷函數(shù)進(jìn)行定義，并實(shí)施加載。從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，僅對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)（尤其是塔筒）線彈性工作階段的力學(xué)性能進(jìn)行分析、計(jì)算，研究其應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

2.2網(wǎng)格劃分

塔筒采用矩形四邊形單元，通過(guò)控制單元邊長(zhǎng)來(lái)設(shè)定單元大小，塔筒底部剛性環(huán)梁、頂部環(huán)梁和洞口邊緣進(jìn)行局部加密處理。

2.3筒壁分組編號(hào)

需要加固的冷卻塔第15節(jié)筒壁，以其原施工模板為基本洞口單位，針對(duì)洞口大小、洞口距離，分別設(shè)置3組工況進(jìn)行對(duì)照。筒壁模板分組編號(hào)如圖1所示。

2.4工況設(shè)置

工況1：依據(jù)原混凝土結(jié)構(gòu)采用為 1m×1.35m （寬× 高）的定型鋼模板尺寸，洞口尺寸為 1m×1.35m （寬× 高），兩個(gè)洞口之間的間距為 5.8m （工況1僅作對(duì)照）。

工況2：洞口的寬 x 高為 3m×1.35m ，兩個(gè)洞口的弧長(zhǎng)間距約為 58m ，見(jiàn)圖1的第1組和第2組。

工況3：洞口尺寸為 3m×1.35m （寬 × 高），兩個(gè)洞口的弧長(zhǎng)間距約為 25m ，詳見(jiàn)圖1的第1組和第19組。

3 工況模擬結(jié)果

3.1工況1模擬結(jié)果

圖2為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況1洞口處的等效應(yīng)力云圖。由圖2可知，洞口附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，尤其是矩形洞口的角點(diǎn)，其最大等效應(yīng)力峰值約為9.3MPa ，水平方向應(yīng)力值比豎直方向大。

圖3為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況1在荷載作用下的變形云圖。由圖3可知，中面底標(biāo)高為 24.357m 兩個(gè)洞口的間距為 5.8m 時(shí)，塔筒的最大變形量約為 12.9mm 。

3.2工況2模擬結(jié)果

圖4為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況2洞口處的等效應(yīng)力云圖。由圖4可知，筒壁洞口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力值約為3.8MPa，且最大等效應(yīng)力處于矩形洞□的角點(diǎn)。

圖5為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況2在荷載作用下的變形云圖。由圖5可知，當(dāng)中面底標(biāo)高為 24.357m 、兩個(gè)洞口間距約為58m時(shí)，塔筒的最大變形量約為 3.63mm 而人字柱和塔筒連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力明顯升高。

3.3 工況3模擬結(jié)果

4.1工況模擬結(jié)果匯總

圖6為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況3洞口處的等效應(yīng)力云圖。由圖6可知，筒壁洞口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力值約為4.2MPa，且最大等效應(yīng)力處于矩形洞□的角點(diǎn)。

圖7為冷卻塔筒壁第15節(jié)工況3在荷載作用下的變形云圖。由圖7可知，當(dāng)中面底標(biāo)高為 24.357m 、兩個(gè)洞口間距約為25m時(shí)，塔筒的最大變形量約為 3.8mm. 并且類(lèi)似于工況1，人字柱與塔筒連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力明顯升高。

4對(duì)模擬結(jié)果的分析和建議

3種工況下冷卻塔塔筒的各項(xiàng)數(shù)據(jù)匯總?cè)氡?所示。

4.2工況模擬結(jié)果分析

工況1的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)筒壁為兩個(gè)較小洞□（ 1m×1.35m 、且間距較近（5.8m）時(shí)，筒壁矩形洞□的最大等效應(yīng)力值最大、塔筒的最大變形量也最大。

工況2的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)筒壁洞口為3m×1.35m 、且兩個(gè)洞口位于第1組和第2組位置（相距弧長(zhǎng)為 58m ）時(shí)，其矩形洞口的最大等效應(yīng)力值和塔筒的最大變形量均最小。

工況3的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)筒壁洞口為3m×1.35m 、且兩個(gè)洞口位于第1組和第19組位置（間距約為 25m ）時(shí)，其矩形洞口的最大等效應(yīng)力值和塔筒的最大變形量均適中。

4.3綜合分析

通過(guò)上述分析得出以下結(jié)論：在工況1中，雖然洞口尺寸最小且距離最近，但是筒壁承受的最大等效應(yīng)力值和塔筒承受的最大變形量均最大，因此該工況最不利于施工。在工況2中，盡管洞口距離最遠(yuǎn)，且洞口尺寸與工況3相同，但變形與應(yīng)力數(shù)據(jù)卻相對(duì)較低。結(jié)合工況3的數(shù)據(jù)，可以推斷出：洞口距離的增大，有助于降低冷卻塔的等效應(yīng)力值和變形量。

然而工況2中理想的洞口距離無(wú)法始終保持。因此需要在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，平衡施工效率和結(jié)構(gòu)性能。對(duì)于工況3，施工過(guò)程中洞口距離能夠保持在一個(gè)較大的范圍之內(nèi)，與工況2相比，洞口的最大等效應(yīng)力增加了 9.5% ，塔筒的最大變形量增加了 21% 。

盡管如此，通過(guò)將洞口距離設(shè)置在 25m ，確保了施工的穩(wěn)定性，既提高了施工效率，又保證了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

4.4 施工順序建議

綜合各工況的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塔筒洞口的最大等效應(yīng)力普遍低于15MPa，工況2和工況3的最大變形均低于4mm，冷卻塔的結(jié)構(gòu)依然安全可靠。因此，建議在洞口距離方面，推薦采用工況3的施工方法。對(duì)冷卻塔筒壁缺陷混凝土的置換加固施工順序，提出以下建議：

在第一階段，對(duì)第1組和第19組同時(shí)鑿除缺陷混凝土，澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，等待新混凝土強(qiáng)度達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)入第二階段。

在第二階段，由于第20組為單個(gè)鋼筋混凝土模塊，為了保證洞口距離保持在 25m ，跳過(guò)第20組，對(duì)第3組和第18組位置的缺陷混凝土進(jìn)行鑿除并澆筑新混凝土。

在第三階段，繼續(xù)按照上述方法，對(duì)第5組和第16組以及之后的各組分別依次進(jìn)行缺陷混凝土鑿除和新混凝土澆筑。

在第四階段，將第20組與第2組同時(shí)鑿除缺陷混凝土，澆筑完成新混凝土后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。至此所有缺陷混凝土全部置換完成。

按照上述施工順序，每?jī)山M置換混凝土的間距均小于 25m ，確保了施工的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的安全性。筒壁混凝土分組置換施工順序如表2所示。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理的筒壁洞口設(shè)計(jì)和科學(xué)的施工方案，可以有效提高鋼筋混凝土冷卻塔的結(jié)構(gòu)性能和施工效率，確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)研究結(jié)果可知，當(dāng)冷卻塔的洞口尺寸較小時(shí)，塔筒的最大變形和洞口的最大等效應(yīng)力（尤其是角點(diǎn)）會(huì)顯著增大。相反，當(dāng)洞口之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，冷卻塔的最大變形會(huì)明顯減小。因此在施工過(guò)程中，應(yīng)盡量保持洞口之間的距離最大化，以減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和變形，從而提高冷卻塔的整體穩(wěn)定性和安全性。

在確保冷卻塔筒壁結(jié)構(gòu)完整性保持率超過(guò) 96% 前提下，即最多分2組、每組連續(xù)鑿除3塊缺陷混凝土板的情況下，筒壁洞口對(duì)整體結(jié)構(gòu)的可靠性影響不大。這意味著在合理的設(shè)計(jì)和施工條件下，各工況鑿除缺陷混凝土板的作業(yè)都不會(huì)對(duì)冷卻塔的長(zhǎng)期性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

從安全性和施工效率的角度考慮，工況3是最優(yōu)施工方案。采用該方案既能保證冷卻塔的結(jié)構(gòu)的安全性，又能提高施工效率與工作面，確保工程順利進(jìn)行。此外，對(duì)每組缺陷混凝土板進(jìn)行鑿除后，應(yīng)采用比原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)更高的混凝土進(jìn)行澆筑，確保新舊結(jié)構(gòu)連接牢固可靠。

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