冷卻塔下環梁及X柱施工支撐腳手架結構有限元分析

徐 亮，張衛星，胡宗軍

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院， 安徽 合肥 230009；2.中國能源建設集團 安徽電力建設第二工程公司， 安徽 合肥 230031)

冷卻塔是火力發電廠循環水的冷卻設備，多為自然通風雙曲線型鋼筋混凝土現澆結構，主要由環形基礎、斜支柱、通風筒、集水池和淋水構件組成[1]。環梁以及其下部斜柱是冷卻塔結構受力的關鍵部位之一，傳承著整個筒壁的載荷。斜支柱在空間中呈雙向傾斜，工藝質量要求高，施工難度與質量控制標準是整個工程的難點和重點[2-3]。環梁及支柱施工方法眾多，如預制支柱吊裝無腳手架環梁現澆施工法[4]、滿堂腳手架支柱環梁現澆施工法等。在支柱及環梁施工方法選擇上，不同的施工方法對于其適用性、經濟性、安全性均有不同影響[5-9]。特別在“11.24”江西豐城電廠冷卻塔施工特大安全事故后[10-12]，冷卻塔施工安全更為人們所重視[13-14]。

本文以京能五間房電廠一期2×660 MW機組工程接空冷卻塔下環梁及X柱腳手架支撐結構為研究對象，針對兩種不同設計施工方案進行有限元分析，并從多個方面對兩種方案進行對比，研究結論為國內該類型支撐腳手架結構的設計、搭設和應用提供有益參考。

1 支撐腳手架搭設方案

本工程冷卻塔塔體為雙曲線鋼筋混凝土薄殼結構，筒壁支撐結構為44組分段現澆鋼筋混凝土結構X柱，結構尺寸為1.15 m×1.75 m。X柱底標高為±0 m其中心半徑70 m，下環梁中心標高為31.5 m，中心半徑60.708 m，環梁底寬度1.9 m，第一節環梁澆筑高度1.3 m。冷卻塔X柱及環梁施工均采取應用Ф48.3×3.6鋼管搭設扣件式鋼管腳手架的施工方法。腳手架設計如下兩種搭設方案：

(1) 方案1。腳手架設計為環形(封圈型腳手架)，按照區域設置44個相同的單元，整體呈滿堂階梯型布置，搭設總高度36 m、寬度35.2 m，立桿徑向間距1.1 m和1.5 m、環向間距0.68 m～1.20 m(環梁底加密區立桿間距為0.5 m×1.0 m共5排)，水平桿層間間距為1.5 m。沿圓周方向布置四圈環向剪刀撐到頂，徑向方向每兩個相同單元相交處設置三道徑向剪刀撐到頂，水平剪刀撐分別于標高-1.9 m、5.6 m、13.1 m、20.6 m、28.1 m處布置五層。X柱分4段施工，分別于9.00 m、16.98 m、24.81 m、31.50 m處留設澆筑點，最后澆筑下環梁。由于結構軸對稱，取一基本扇區(整體環形結構的四十四分之一)，結構具體形式如圖1所示。

(2) 方案2。腳手架搭設成環形滿堂式，搭設總高度34 m、寬度27 m，其中環梁及X柱投影下滿堂搭設12排腳手架，其后腳手架沿徑向搭設4列。滿堂腳手架立桿徑向間距1.2 m和1.5 m，環向間距0.860 m～1.385 m(環梁底加密區立桿間距為0.60 m×1.25 m共5排)，水平桿層間間距為1.4 m。沿圓周方向分別于第1排第4排第8排第10排布置四圈環向剪刀撐到頂，徑向方向設置三道徑向剪刀撐到頂，水平剪刀撐沿高度方向每6 m布置一道共計6道。X柱分4段施工，分別于7.8 m、15.6 m、25.6 m、31.5 m處留設澆筑點，最后澆筑下環梁。由于結構軸對稱，取一基本扇區(整體環形結構的四十四分之一)，結構具體形式如圖2所示。

(a) 俯視圖(b) 側視圖

圖1方案1腳手架結構俯視圖與側視圖

2 結構有限元模型

冷卻塔下環梁及X柱腳手架支撐結構是一個龐大的空間力系桿件系統，腳手架的鋼管采用Ф48.3×3.6鋼管，材質均為Q235鋼材，彈性模量E=2.06×1011Pa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3。X柱和下環梁模板為木質材料，彈性模量E=0.98×109Pa，密度ρ=0.612×103kg/m3。X柱及環梁為C40混凝土，彈性模量E=3.25×1010Pa，密度ρ=2.4×103kg/m3，泊松比μ=0.2。根據上述兩種腳手架搭設方案，運用MIDAS/Civil分別建立兩組結構模型，計算在X柱和下環梁澆注施工過程中的兩種方案腳手架系統的力學特性。

(a) 俯視圖(b) 側視圖

圖2方案2腳手架結構俯視圖與側視圖

腳手架結構模型所運用單元類型如下：

(1) 立桿用一般梁/變截面梁單元模擬，水平桿、斜桿等均采用桁架單元(桿單元)模擬。

(2) X柱用混凝土實體單元模擬。

(3) X柱及環梁結構模板均用板單元模擬。

有限元模型中整體坐標系為笛卡爾直角坐標系，源點位于冷卻塔中軸上，x軸為冷卻塔徑向，xy平面為水平面，z軸沿重力方向，朝上為正。在立桿底部節點建立局部柱坐標系，x軸為徑向，y軸為環向，z軸為軸向。在局部柱坐標系中，基本扇區兩排徑向邊側的立柱底部節點約束y、z方向2個自由度，其他底部節點僅約束z方向自由度，以此為邊界條件進行有限元分析計算。

塔架結構的有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 方案1側視圖與俯視圖

圖4方案2俯視圖與側視圖

3 計算分析

腳手架結構承受荷載包括自重、X柱和環梁重力等。其中，腳手架自重通過MIDAS/Civil中的重力加速度模塊予以施加。X柱的混凝土濕重以面荷載的形式施加在X柱模板單元上。環梁混凝土濕重荷載以面荷載的形式施加在環梁模板單元上。

3.1 計算工況

為更加準確地分析模擬X柱和下環梁分段施工過程，本文將支撐腳手架計算分為以下5個施工階段分別進行計算：

(1) 施工階段1：施加第一段X柱混凝土濕重荷載時，支撐系統的變形及應力分析。

(2) 施工階段2：施工階段1結束后，支撐系統在施工階段1變形和應力計算結果基礎上施加第二段混凝土濕重荷載，計算支撐系統的變形及應力。

(3) 施工階段3：施工階段2結束后，支撐系統在施工階段2變形和應力計算結果基礎上施加第三段混凝土濕重荷載，計算支撐系統的變形及應力。此時，第一、二段X柱混凝土凝固，應用實體單元建模，作為結構參與計算。

(4) 施工階段4：施工階段3結束后，支撐系統在施工階段3變形和應力計算結果基礎上施加第四段混凝土濕重荷載，計算支撐系統的變形及應力。此時，第一、二、三段X柱混凝土凝固，應用實體單元建模，作為結構參與計算。

(5) 施工階段5：施工階段4結束后X柱整體澆注完成，支撐系統在施工階段4變形和應力計算結果基礎上施加環梁混凝土濕重荷載，計算支撐系統的變形及應力。此時，X柱混凝土凝固，應用梁單元建模，作為結構參與計算。

3.2 計算結果

對于兩種方案下支撐腳手架結構的5個施工階段進行有限元分析，位移變形及應力云圖如圖5～圖8所示。

(1) 方案1計算結果

① 位移云圖。各施工階段方案1計算位移云圖見圖5。

圖5方案1各施工階段位移云圖

② 應力云圖。各施工階段方案1計算的應力云圖見圖6。

圖6方案1各施工階段應力云圖

(2) 方案2計算結果

① 位移云圖。各施工階段方案2計算位移云圖見圖7。

圖7方案2各施工階段位移云圖

② 應力云圖。各施工階段方案2計算應力云圖見圖8。

圖8方案2各施工階段應力云圖

計算結果曲線圖如圖9、圖10所示。

方案1中腳手架支撐結構總高36 m，結構最大位移為80.87 mm，最大Von-mises應力為201.36 MPa；方案2中腳手架支撐結構總高34 m，結構最大位移為76.14 mm，最大Von-mises應力為190.95 MPa。由《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》[15]JGJ 130—2011可知，腳手架支撐結構整體允許位移最大限值為l/400(l為腳手架結構整體高度)，兩種方案的有限元計算結果均小于結構允許位移，因此上述兩種方案塔架結構均滿足剛度要求。腳手架整體用Q235型鋼管，由規范所述，Q235鋼抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為205 MPa，計算結果也均小于材料Q235鋼的許用應力，因此上述兩種方案塔架結構均滿足強度要求。

通過計算結果數據比較可看出，方案2在施工階段1的位移比方案1大，但隨后各個施工階段，方案2的位移增量小于方案1位移增量，最終下環梁施工后支撐腳手架系統總變形量小于方案1。方案2在各個施工階段的最大應力均小于方案1。對于本文分析的基本扇區，方案1結構的用鋼量為71.57 t，方案2結構的用鋼量為41.86 t，僅為方案1的58%。

圖9 各施工階段位移曲線圖

圖10各施工階段應力曲線圖

4 結 論

本文利用MIDAS/Civil有限元分析軟件對此類冷卻塔下環梁及X柱施工腳手架支撐結構在不同施工階段下進行分析，可以得出以下幾點結論：

(1) 在上述五種工況下結構最大位移和應力值均小于許用值，腳手架支撐結構滿足相關規范的安全性要求。

(2) 兩種施工方案計算結果顯示，隨著施工階段的推進，結構變形量逐步增大，但方案2最大位移增量小于方案1，方案2最終變形量小于方案1；隨著施工階段的推進，結構最大應力也逐步增大，但在各個施工階段方案2最大應力均小于方案1。

(3) 方案2結構用鋼量遠小于方案1。

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