大型雙曲線空冷塔X 支柱群施工技術及應用

張 譜，陳岳明，王 偉，邢國然

ZHANG Pu1，CHEN Yueming2，WANG Wei3，XING Guoran3

(1.招商局地產控股股份有限公司，浙江 杭州310012;2.浙江中和建筑設計有限公司，浙江 紹興312000;3.浙江中成建工集團有限公司，浙江 紹興312000)

雙曲線空冷塔是大型火電站或核電站的重要組成部分，主要用于冷卻循環水，在整個發電站的施工建設中處于關鍵環節。

傳統的雙曲線空冷塔采用圓形人字柱支承形式，為了適應更大發電機組容量的要求，雙曲線空冷塔塔高及半徑隨之增大，巨型塔筒靠X 柱支承。X支柱高度高、截面大、環繞筒心排列，在空間上呈雙向傾斜，施工難度與質量控制標準是整個工程之最。為解決大型雙曲線空冷塔現澆X 支柱群施工難題，確保工程質量和安全，加快施工進度，降低施工成本，系統地研究和編制了一套具有先進性、普及型的施工技術，對我國大型雙曲線空冷塔X 支柱群施工具有一定的指導作用。

1 X 支柱群施工技術特點及優勢

(1)采用BIM 技術，事先建立三維立體信息化模型，可對空間幾何數據精確定位，為鋼筋制作、模板加工、模板支撐的力學計算和搭設定位提供精確直觀的三維圖形，從而簡化了技術人員工作強度和降低出錯率。

(2)模板支撐采用扣件式鋼管腳手架，搭設一種新型的多道同心圓環桿件與等角度輻射桿件呈正交的整體圓環形滿堂腳手架作為X 支柱模板支撐體系;其次，根據腳手架承載主次要求，實行主架、副架對應搭設，并針對性地增設斜撐桿件，使傳統的滿堂腳手架完全適應環繞內傾式X 支柱群的模板支撐要求。施工簡便，受力合理，經濟美觀。

(3)通過合理安排X 支柱平面分區與立面分段流水施工，可提高模板周轉使用率，減少模板一次投入量，節省工程造價。

2 工藝原理

采用BIM 技術，建立X 支柱三維立體的數據模型方案。根據數據模型，對X 支柱模板排版進行專項設計，制作X 支柱分段施工的模板，有效控制模板拼縫;同時通過BIM 技術建立的數據模型方案為模板支撐的力學計算和搭設定位提供精確直觀的三維圖形。

X 支柱模板支撐體系采用整體圓環形滿堂腳手架，將環向水平鋼管定義為圓環桿件，徑向水平鋼管定義為輻射桿件，塔筒中心定義為圓心。X 支柱群環繞圓心內傾布置，兼具水平構件和豎向構件的特性。為適應這一特性，平面上將腳手架搭設成多道同心圓環桿件與等角度輻射桿件呈正交形式，輻射桿件均指向圓心;立面上將腳手架搭設成金字塔形并增設斜撐桿件。在X 支柱群施工荷載作用下，整體圓環形滿堂腳手架形成了框架承力方式。同時，X 支柱的部分水平力可以通過輻射桿件傳遞至圓環桿件，合理地將該水平力轉化為同心圓環桿件的軸壓力，能有效發揮整體圓環形滿堂腳手架的拱效應，使周邊X 支柱的部分水平力在圓拱內得到平衡，從而形成更加穩固的模板支撐體系。

3 施工工藝流程

X 支柱群環繞塔筒中心排列，分布面積廣、體量大，立面高度高、斜率大。為此，X 支柱群平面采用均衡對稱分區施工(圖1)，X 支柱立面設置水平施工縫分段施工(圖2)。

圖1 X 支柱群平面分區

圖2 X 支柱立面分段

X 支柱BIM 建模流程:熟悉圖紙要點→收集數據→建立數據模型→提取模板加工參數→根據數據模型初步確定腳手架搭設方案→模板及支撐力學計算→按力學計算調整數據模型并最后定稿→根據數據模型指導現場腳手架及模板施工。

X 支柱施工工藝流程:腳手架地基處理→測量放線→腳手架搭設→底模安裝→鋼筋綁扎→側模與頂模安裝(埋件安裝)→混凝土澆筑與養護→腳手架拆除。

4 施工要點

4.1 X 支柱BIM 建模

用BIM 建模軟件，根據需要，建立X 支柱群整體圓環形滿堂腳手架及X 支柱施工的立體數據模型，見圖3、圖4。

圖3 X 支柱群整體圓環形滿堂腳手架BIM 建模數據圖

圖4 X 支柱腳手架定位BIM 建模數據圖

4.2 腳手架地基處理

環基、X 支柱支墩及冷卻設備平臺支撐墻施工完畢后進行砂礫石分層回填，分層厚度200～300 mm，壓實系數不小于9. 5，采用小型壓路機碾壓，壓路機施工不到位的部位采用夯土機夯實。

4.3 測量放線

(1)測量方法。依據施工圖給定的空間坐標，運用BIM 技術建立的X 支柱三維建模數據，將X 型柱上、下兩端中心控制點及柱角部控制點均投影至環基上，結合每段X 支柱的施工高度及距離，計算出柱體定位坐標。

(2)測量流程。BIM 建模數據放樣→放出X 支柱的中心控制點和角部控制點→通過傾角計算法進行核算轉化成具體的模板加工尺寸→安裝模板→對模板水平投影采用線錘或全站儀校核→模板穩固→復測及數據整理→模板偏差修正。

4.4 腳手架搭設

腳手架支模體系是X 支柱現澆的依托，采用φ48 ×3.5 鋼管、扣件連接，搭設前應進行設計計算，在各類荷載作用下必須滿足整體圓環形滿堂腳手架結構強度和穩定性要求。

設計計算采用大型有限元分析軟件ANSYS，由于腳手架整體上是框架結構，因此在施工荷載和自重作用下的穩定性問題特別重要。按照彈性穩定性理論，該問題可以簡化為求解一定邊界條件下的彈性結構的線性穩定性問題。通常在齊次邊界條件下，彈性結構的線性穩定問題可以化歸為求解臨界載荷因子η 的問題，這樣就將上述穩定性的問題化歸為求解線性特征值的問題。

式中:L—殼體線性平衡方程中的算子;

G—殼體在產生變形U0之后的幾何剛度矩陣。

臨界載荷因子η 的力學意義就是在小于當前載荷η 倍的時候，結構的穩定性不被破壞，工程上通常要求η ＞5 以保證結構的安全性。本次計算中，我們在施加荷載時對結構的所有荷載均乘以5 倍，因此計算結果的穩定性因子只需要大于1 即可認為結構的穩定性是足夠的。有限元模型單榀結構示意見圖5。

由于整體圓環形滿堂腳手架設置門洞，結構只具有一個對稱面，模型簡化時只能取半個結構建模，考慮扣件質量及重力荷載作用于每個節點上，荷載施加建模見圖6。

腳手架的主架相對副架的立桿間距應加密。主架、副架沿空冷塔環向同步搭設，一次搭設成型。搭設方向由環梁中心半徑向兩側分別搭設，相鄰兩榀環向水平桿連接于同一根立桿上，相鄰兩榀腳手架搭設高差不超過6 m，不可隔榀搭設。

圖5 有限元模型單榀結構示意圖

圖6 有限元模型荷載施加圖

主架立桿徑向間距1500 mm，環梁投影區域800 mm，環向間距1076～1403 mm;副架立桿徑向間距1800 mm，環向間距849～1076 mm(圖7);步距1500 mm［1］。搭設時先按環向水平桿中心線擺放環向水平桿、環向掃地桿，后按立桿位置逐根組裝立桿，組裝立桿時應設置臨時拋桿防止立桿傾倒。立桿搭設完成后搭設徑向掃地桿、徑向水平桿。徑向水平桿搭設在環向水平桿上部。第一步徑向及環向水平桿搭設完成后鋪設臨時腳手片作為第二步水平桿搭設的操作平臺。按此方法搭設完成以上各步腳手架的水平桿。剪刀撐設置在縱向、徑向以及水平三個方向。為方便塔內外通行，在入口處設置門洞作為進塔通道，門洞兩側采用雙立桿，頂棚設置3層雙橫桿。

腳手架搭設完畢后，在腳手架架體靠近空冷塔中心第一步徑向桿伸出端，沿環向均勻布設5 個沉降觀測點并用紅油漆明顯標記，架體搭設到X 支柱澆筑段開始觀測，每天觀測一次，并形成記錄。

4.5 底模安裝

待環向腳手架整體搭設完畢，斜撐、剪刀撐、纜風繩加固后，可進行X 支柱底模的安裝。先在X 支柱支墩下方放出X 支柱中心線，然后在腳手架上方用全站儀和鋼尺分出X 支柱中心線和斜率控制線，上下拉設通線，即可形成X 支柱底模的控制線，由于X 支柱傾斜較大，在鋪設X 支柱底模時要考慮起拱。底模安裝必須牢固，確保X 支柱澆筑后的整體線條。

圖7 整體圓環形滿堂腳手架搭設平面圖

4.6 鋼筋綁扎

X 支柱鋼筋分段綁扎施工到頂，在施工X 支柱支墩時，在支墩內預插X 支柱第一段主筋，根據規范要求，錯開接頭位置，主筋的位置必須準確。鋼筋采用鋼筋場制作，現場綁扎成形，主筋接頭全部采用直螺紋連接。綁扎箍筋時應先在主筋上標出箍筋間距線，將箍筋從主筋頂部套入并擺放好位置后與主筋綁扎牢固，當箍筋綁扎至最短主筋標高后接長主筋。主筋接長采用Ⅱ級直螺紋連接，每500 個螺紋接頭為一個檢驗批，經外觀檢查合格后取樣復試。螺紋接頭應相互錯開，接頭率不大于50%［2］。箍筋扎絲頭壓入鋼筋籠內，鋼筋綁扎完成后墊好控制鋼筋保護層厚度的墊塊。

4.7 埋件安裝

將預埋件在模板上安裝就位，在埋件與模板對應位置鉆Φ6 孔(防止表面出現毛刺)，安裝時用M5螺栓穿過埋件及模板進行緊固。待混凝土拆模后卸去螺帽重復使用，用手提砂輪磨光機將螺栓切除并磨平。對于面層大的埋件，為使混凝土澆灌密實，應在預埋件中間適當開設排氣孔。埋件與模板接觸四周設置黏膠條，防止混凝土澆筑過程中漏漿污染埋件表面。

4.8 側模、頂模安裝

X 支柱鋼筋隱蔽工程驗收完畢后，開始安裝側模及頂模。采用M16 對拉螺栓及雙鋼管柱箍加固。1000 mm 柱寬面中間設置1 根對拉螺栓，兩側設置2 根對拉螺栓;1700 mm 柱寬面中間設置2 根對拉螺栓，兩側設置2 根對拉螺栓。對拉螺栓應縱橫成線，間距均勻，對稱布置，宜能周轉使用(圖8)。柱箍間距500 mm。模板表面涂隔離劑，板縫隙粘貼海綿膠條放止漏漿。對拉螺栓套入PVC 管，拆模后抽出對拉螺栓，采用專業砂漿、專用工具封堵螺栓孔。使封堵的孔眼直徑和深度一致。

圖8 X 支柱單肢模板拼裝圖

4.9 混凝土的澆筑與養護

混凝土攪拌出機后由混凝土罐車運輸到施工現場，X 支柱混凝土采用汽車泵輸送入模。汽車泵泵管插入X 支柱模板中心設置的混凝土串筒內，串筒隨混凝土澆筑高度向上提升，始終保持混凝土自落高度不超過2 m。同一施工段的X 支柱的兩肢單柱同時澆筑，澆筑高差≤500 mm，每層澆筑厚度控制在300～500 mm 之間。X 支柱內配置6 臺12 m 長插入式振搗器，X 模板封閉前，在箍筋內由底部向上拉設6 條等間距的8#鐵絲線作為振搗棒定位軌道，防止漏振。振搗要求快插慢拔，混凝土表面無氣泡冒出，不再有明顯下沉，振搗時間控制在20～30 s。振搗間距不大于300 mm，振搗棒插入下層混凝土大于50 mm［3］。X 支柱模板拆除后用塑料薄膜覆蓋保濕養護，始終保持混凝土表面濕潤，養護時間不少于14 d。

4.10 腳手架拆除

腳手架拆除與搭設步驟相反，從上至下逐層拆卸，嚴禁上下同時作業。腳手架按每榀單獨進場拆除，拆除時每相鄰兩榀高差不大于兩步。拆除作業面要鋪好腳手板，腳手板隨拆隨移。斜撐、剪刀撐與腳手架同時拆除，拆除后的鋼管及扣件暫時碼放在拆除腳手架平面上，然后吊運到地面。

5 質量控制要求

(1)鋼管表面應平直光滑，嚴禁使用帶裂縫、結疤、分層、錯位、硬彎、毛刺、壓痕和深滑道的鋼管。鋼管允許偏差:外徑-0.5 mm，壁厚-0.45 mm，外表面銹蝕深度≤0.5 mm，立桿彎曲≤20 mm，水平桿彎曲≤30 mm。

(2)扣件應有法定檢查單位的測試報告和質量合格證?？奂诼菟〝Q緊力矩達65 N·m 時不得發生破壞。有裂紋、變形的扣件嚴禁使用。

(3)預埋件制作時，錨板與錨筋焊接盡可能減少變形，錨筋隔點焊且燒焊速度不能過快，避免溫度應力過大、過快。對焊接中無法避免的變形，安裝前加以校正，確保埋件表面平整。

6 安全措施

(1)架子工必須持證上崗，施工層應搭設專門的存料平臺，嚴禁隨意堆放，高處傳遞桿件和扣件要使用繩索、工具袋。

(2)搭設腳手架必須同時搭設人員上下通道，高處作業人員必須將安全帶栓掛在上方牢固可靠處，嚴禁高處作業人員站在欄桿外工作或騎坐欄桿上施工。

7 應用實況

華能輪臺電廠2 ×350MW 熱電聯廠工程位于新疆維吾爾自治區巴州輪臺縣拉依蘇工業區。本工程雙曲線鋼筋混凝土空冷塔塔高171 m，塔筒采用50 對X 支柱支承，X 支柱斜長31. 8 m，傾角73.5°，單肢截面1700 mm ×1000 mm，X 支柱±0.000 m中心半徑76. 957 m。工程于2013年10月開工，2014年9月完工?，F場施工實景見圖9～11。

圖9 X 支柱插筋及腳手架地基處理

圖10 整體圓環形腳手架搭設完畢及X 支柱底模安裝

圖11 X 支柱拆模后實景

8 結 語

通過本技術的有效實施，成功解決了大型雙曲線空冷塔X 支柱測量定位、鋼筋綁扎、模板安裝支設、混凝土澆筑等諸多施工難題。同時節約了工時及模板支撐材料，混凝土的外觀質量達到了清水混凝土質量標準，創造了經濟效益。

［1]沈陽建筑大學. JGJ 162—2008 建筑施工模板安全技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2]張建新，王力尚.城市之光項目現澆混凝土斜柱施工技術［J］.施工技術，2013，42(6):29 -32.

［3]李學勁，童華偉，黃恒.高大外傾斜柱利用滿堂腳手架作為模板支撐的設計與應用［J］.施工技術，2013，42(11):20 -23.