大型雙曲線冷卻塔斜支柱及下環(huán)梁的施工

上海電力建筑工程公司 上海 200437

0 前言

雙曲線冷卻塔是大型火電站和核電站的重要組成部分，主要用于冷卻循環(huán)水。冷卻塔直徑和高度尺寸隨電站設計要求呈現(xiàn)各異[1]，主要由環(huán)形基礎、斜支柱、通風筒、集水池和淋水構(gòu)件組成。其斜支柱在空間中呈雙向傾斜，施工難度與質(zhì)量控制標準是整個工程之最[2,3]；另外，斜支柱是基礎和通風筒的過渡承接結(jié)構(gòu)，“斜支柱—下環(huán)梁”施工質(zhì)量優(yōu)劣直接關系到整個工程的質(zhì)量、技術(shù)性能和經(jīng)濟效益[4]。

雙曲線冷卻塔示意如圖1所示。

圖1 雙曲線冷卻塔

1 斜支柱與環(huán)梁概況

1.1 斜支柱概況

斜支柱為通風筒的支撐結(jié)構(gòu)，主要承受上部結(jié)構(gòu)自重、側(cè)向風荷載和溫度變化引起的應力，屬于重要構(gòu)件。斜支柱在空間呈雙向傾斜，傾角大致在70°左右，其幾何形狀主要是V字形、I字形和X字形柱，截面通常有圓形、矩形、八邊形等。

1.2 下環(huán)梁概況

下環(huán)梁位于雙曲線通風筒的底部，相當于剛性環(huán)梁，一方面用于增強斜支柱空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，另一方面用于承受上部結(jié)構(gòu)自重引起的豎向荷載和環(huán)向水平荷載。環(huán)梁截面一般呈梯形，下底寬度比斜支柱的截面直徑或截面長度長，向通風筒內(nèi)傾斜。

1.3 斜支柱—下環(huán)梁體系現(xiàn)澆工藝設計特點[5,6]

塔身主體的施工順序一般為：環(huán)形基礎→支墩與斜支柱→下環(huán)梁→通風筒→上環(huán)梁。由于通風筒和上環(huán)梁施工一般采用懸掛式腳手架工藝或是爬模工藝施工，均搭設在已現(xiàn)澆好的混凝土結(jié)構(gòu)上，不需要專門豎向輔助支撐；而斜支柱和下環(huán)梁現(xiàn)澆均需要考慮搭設豎向輔助支撐結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工工藝，斜支柱—下環(huán)梁體系考慮滿堂腳手（排架）支撐方式，但這種工藝空間制模定位困難、勞動力密集、高空作業(yè)多、工期長以及質(zhì)量、安全不可控等現(xiàn)象。

2 斜支柱模具研發(fā)與運用

2.1 現(xiàn)澆施工難點

（a）斜支柱較長，模板和支撐均需要從基礎頂面開始，高支模對支撐體系的形變和穩(wěn)定性難以精確把握。

（b）斜支柱雙向傾斜，對支撐體系要求有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性以承受豎向荷載和水平荷載的要求。

（c）斜支柱現(xiàn)澆混凝土的自由落差需控制，斜支柱需連續(xù)現(xiàn)澆以確保無施工冷縫，且需選用分段合模，對模具在施工中能快速、精準的拼接制作要高。

（d）雙曲線冷卻塔斜支柱空間分布寬，需要的模具和支撐體系多，模具與支撐體系的增多必然帶來工作量、成本、安全風險的增大。

因此，需要研發(fā)一種機械化程度高、可整體移動周轉(zhuǎn)使用的工具。

2.2 模板與支撐體系研發(fā)

為了解決上述難題，我公司前幾年成功研發(fā)了人字柱小車模具（圖2、圖3）。通過重復的優(yōu)化和實驗，首先，控制了模具在施工工況下的變形不確定問題；其次，控制了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力，使小車模具在彈性變形范圍內(nèi)，可循環(huán)使用；再次，達到了整體性強、高空拼裝作用少、機械化程度高的要求。人字柱小車模具通過國內(nèi)多個權(quán)威機構(gòu)高度評價和認證，在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

2.3 人字柱施工工藝流程

人字柱定位放線→人字柱小車拼裝→人字柱小車定位→人字柱下模板系統(tǒng)吊裝→人字柱下模板系統(tǒng)安裝→人字柱小車定位校核→人字柱鋼筋籠吊裝→人字柱上模板安裝與混凝土澆筑→養(yǎng)護→人字柱上模板拆除→人字柱下模板拆除→人字柱小車移除

圖2 人字柱小車模具

圖3 人字柱小車施工實景

3 斜支柱—下環(huán)梁體系一體化現(xiàn)澆工藝探索

3. 1 工藝路線

下環(huán)梁施工時，斜支柱已經(jīng)具有一定強度和剛度，而且相比通風筒和上環(huán)梁的自身質(zhì)量，施工下環(huán)梁時的施工荷載遠遠小于兩者自重，利用斜支柱作為下環(huán)梁施工支撐體系的一部分是合理的。 接下來研究了取消格構(gòu)柱、利用已澆筑的斜支柱，通過大量計算，采用在人字柱底部增加支撐的方法，解決人字柱受力變形；在人字柱上口預埋擱置點，擱置桁架（圖4）。

3.2 工藝關鍵技術(shù)分析

根據(jù)冷卻塔工程特點和本施工工藝的難點分析，確定以下3 個方面為嚴格控制要點：斜支柱形變控制、支撐與斜支柱混凝土連接點處理、支撐施工控制。

（a）由于各種施工因素的影響，會導致斜支柱發(fā)生偏差，為了確保結(jié)構(gòu)變形在警戒值內(nèi)，必須根據(jù)施工工況與工藝特點進行預起拱，從而及時消除施工偏差和各種施工荷載影響。

圖4 環(huán)梁無排架施工工藝

（b）支撐連接點的設計是為保證埋件點混凝土不破壞、澆筑時不漏漿、埋件可重復利用。為解決上述難點，采用了進口的可裝卸式高強度埋件，可重復利用并大大減小了埋件尺寸。埋件的空間布置則經(jīng)過反復實驗，以求達到埋件受力均衡與協(xié)調(diào)，防止埋件組中出現(xiàn)個別埋件應力集中而導致周圍混凝土破壞（圖5）。

圖5 某次實驗中埋件布置不合理致破壞

（c）支撐施工需要很強的技術(shù)性，因為無論是在支撐加工制作還是施工場地方面都存在其偏差，且斜支柱的剛度遠遠大于支撐的剛度，很難滿足同剛度協(xié)調(diào)變形的要求。因此，支撐需要達到預計的承載力來分擔設計效果，在實際安裝時加一定的預支撐力，消除上述因素的影響。另一方面，混凝土強度與齡期有關，即斜支柱的剛度與時間因數(shù)相關，且混凝土短期的剛度計算存在一定瑕疵，很難精確地反應實際剛度。綜上兩方面的因素，必須通過反復實驗，得到合理的預加支撐力。

3.3 工藝總結(jié)

該工藝的成功實踐運用，實現(xiàn)了工具式排架與臨時支撐“合二為一”的設想，大大減少了格構(gòu)柱運輸成本高的特點，但還是存在一些值得反思的問題，如斜支柱的剛度相當大，而且在實測中施工荷載所產(chǎn)生的附加應力很小，是否可以通過適當?shù)姆椒ㄟM一步發(fā)揮斜支柱作為施工支撐輔助作用。

4 總結(jié)與展望

（a）本文所論述的工藝通過工程實踐表明其具有安裝方便、程序化施工、進度快、低勞動力需求以及高人性化設施的特點，打破了常規(guī)冷卻塔人字柱、下環(huán)梁現(xiàn)澆采用排架進行支撐的方式。

（b）目前工程設計的雙曲線冷卻塔，其斜支柱的類型、傾斜角度、柱長度、截面大小和配筋率等參數(shù)都是不同的[7,8]。因此通過大量的計算、試驗數(shù)據(jù)認為現(xiàn)澆斜支柱模板拆除時是否需要支撐，很大程度上取決于拆模后的混凝土結(jié)構(gòu)形變量、裂縫寬度的控制。在設計與施工中建立構(gòu)件的參數(shù)警戒值，應優(yōu)于按構(gòu)件的類型區(qū)分的施工規(guī)定。

（c）總結(jié)前階段的研究成果，我們認為斜支柱—下環(huán)梁體系現(xiàn)澆無支撐施工工藝是下一步無排架體系發(fā)展的方向。下階段的任務是與設計配合，充分利用環(huán)向桁架在安裝完成后所形成一定的環(huán)向剛度，作為環(huán)向支撐，則斜支柱可從懸挑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到整體性很好的結(jié)構(gòu)，因此可以大大減小斜支柱的撓度。或者，可改變支墩形式，加強斜支柱在施工時的薄弱部位，達到滿足變形要求。