冷卻塔外伸剛性環(huán)施工三角架結(jié)構(gòu)有限元分析

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題，提出可靠的整體加固方案。張厚先等[3]探討了施工過程中不同施工工況對支撐桁架穩(wěn)定性的影響。胡婷等[4]對冷卻塔環(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]對環(huán)梁及X柱分段現(xiàn)澆過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，其施工支架安全問題尤為突出?！?1·24”江西豐城電廠冷卻塔施工平臺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)，并通過外端腳手管傳導(dǎo)至下方三角架。但外端腳手管無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，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稱結(jié)構(gòu)，因此可利用MIDAS Civil有限元軟件對一榀三腳架進(jìn)行建立3種加固方案的數(shù)值模型，共2 871個單元，1 463個節(jié)點(diǎn)，分多個施工步進(jìn)行計(jì)算其力學(xué)特性。該有限元模型采用梁單元來模擬水平桿、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。對拉螺桿經(jīng)預(yù)埋管穿過筒壁連接內(nèi)外兩側(cè)三角架，模型中約束對拉螺桿x、z方向位移。水平桿、豎向桿、斜撐、對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)施工過程中，整個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，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中各個桿件的最大拉彎組合應(yīng)力、位移、軸力變化趨勢可知，附加傳力桿件可將荷載有效傳遞至整個三角架結(jié)構(gòu)中。當(dāng)附加傳力桿件位于水平桿中部，即x=700 mm時，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，其對增加外伸剛性環(huán)施工過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，最危險狀態(tài)為施工階段2，即剛性環(huán)后半段混凝土澆筑時。此時施工階段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，使得施工過程過于復(fù)雜。

圖8 方案3個各工況計(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，其中無論是豎向桿還是水平桿，方案2對于拉彎組合應(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。因此，三種加固方案中，無論從外側(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

本文通過有限元軟件對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，三角架支撐體系所承受荷載較筒壁施工時所承受荷載相對偏大，導(dǎo)致三角架上層水平桿應(yīng)力過大，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，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，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)。