超高變截面異型煙囪異型結(jié)構(gòu)鋼模板研制

文/王發(fā)濤 中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司 山東濟(jì)南 250102

1、項(xiàng)目背景

廣東陸豐甲湖灣項(xiàng)目煙囪工程高243.5m，該煙囪東南、西北方向外筒壁為弧形面，西南、東北方向外筒壁為直面，外部尺寸在190.5m處發(fā)生突變（標(biāo)高0m～190.5m間外部尺寸為：23m×17.8m，標(biāo)高190.5m～240m間外部尺寸為21.800m×16.600m）。煙囪內(nèi)筒壁設(shè)計(jì)為變坡異型體，直面方向內(nèi)筒壁厚度從1.800m～0.400m分層遞減變化，弧面方向筒壁厚度東南側(cè)從2.9m～0.400，西北側(cè)從2.000m～0.400m分層遞減變化。

異型變截面煙囪是一種新型結(jié)構(gòu)形式，施工中煙囪陰陽(yáng)角處的施工將影響著煙囪的外觀(guān)質(zhì)量，弧面與直面的施工用模板同樣對(duì)異型煙囪外觀(guān)成形起著重要作用因此需要制作一套適用于該異型煙囪施工用的鋼模板。

2、異型煙囪用模板研制過(guò)程

2.1 煙囪施工用模板介紹

傳統(tǒng)的煙囪施工采用的收分模板、普通內(nèi)模板、外模板及軌道模板，而異型煙囪還需要陰陽(yáng)角模板。內(nèi)外模板根據(jù)外形形狀及拆分便易性，外模板分為770/1500模板、393/185/1500陽(yáng)角模板、566/355/1500陽(yáng)角模板，內(nèi)模板分為570/1500模板、100/1500模板、150/1500模板、230/1500模板、300/1500模板。

2.2 澆筑混凝土模板承受面壓力計(jì)算

已知混凝土的入模溫度設(shè)為25℃，塌落度為150±30mm，混凝土的澆灌速度不大于1m/h。

（1）混凝土側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算（取兩式中較小值）

F1=0.22rc·t0·β1·β2·v=0.22×25×200/40×1.0×1.15×1∧?=31.62kN/m2

F1=γc H=25×1.5=37.5kN/m2

取較小值F1=31.62 kN/m

式中：F1——新澆筑混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，kN/m ；γc——混凝土的重力密度，kN/m

to——新澆混凝土的初凝時(shí)間（h）可按實(shí)測(cè)確定。當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用to=200/（T+15）計(jì)算（T為混凝土的溫度℃）；

V——混凝土的澆筑速度，m/h；

H——混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于30mm時(shí)，取0.85；50～90mm時(shí)，取1.0；110～150mm時(shí)，取1.15。

（2）混凝土側(cè)壓力設(shè)計(jì)值

計(jì)算模板及支架的荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載的分項(xiàng)系數(shù)，《建筑施工手冊(cè)》>表8-27得模板及支架分項(xiàng)系數(shù)γ1值為1.2。

側(cè)壓力計(jì)算F2=γ1×K×F1=1.2×1×3 1.62=37.94kN/m2（模板采用鋼模板，為保守計(jì)算，折減系數(shù)取1）

（3）傾倒砼時(shí)產(chǎn)生的水平荷載

查建筑施工手冊(cè)表得傾倒時(shí)產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值q值為2 kN/m2；查表模板及支架分項(xiàng)系數(shù)γ2值為1.4。所以?xún)A倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載為F3=q×γ2=2×1.4=2.8KN/m2。

2.3 受力簡(jiǎn)化模型

由于模板與模板之間通過(guò)螺栓連接，同時(shí)煙囪壁內(nèi)外的對(duì)應(yīng)模板通過(guò)兩對(duì)對(duì)拉螺栓連接，所以，在對(duì)模板受力分析計(jì)算時(shí)，立體模型簡(jiǎn)化為三邊固定、單邊自由的平面板，平面模型簡(jiǎn)化為帶懸臂的梁。綜上所述，荷載組合=混凝土側(cè)壓力設(shè)計(jì)值+傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載設(shè)計(jì)值（荷載組合：當(dāng)墻厚＞100mm的側(cè)面模板時(shí)），澆筑混凝土產(chǎn)生的模板側(cè)壓力：F=F2+F3=37.94+2.8=40.74 KN/m2。

2.4 對(duì)拉螺栓位置確定

模板在應(yīng)用過(guò)程中，受力狀態(tài)為三邊簡(jiǎn)支，承受面載荷，根據(jù)邊界條件，將模板簡(jiǎn)化為一端固定，兩端帶懸臂的梁選取770/1500模板為計(jì)算模型，假設(shè)兩塊模板的對(duì)拉螺栓孔距離模板一端的間距為m、兩個(gè)螺栓孔的間距為l，計(jì)算梁的撓度為公式：

以m為變量，考察梁的最大撓度值，利用Matlab編程繪制，f與m之間的函數(shù)關(guān)系得到的距離m與撓度f(wàn)之間的函數(shù)關(guān)系如下圖1：

從圖中可以看出，當(dāng)m=357.9mm時(shí)，該模板的最大撓度值最小，根據(jù)工程實(shí)際，選取m=355mm。

2.5 模板結(jié)構(gòu)有限元分析

（1）由于異型煙囪的模板布置呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的形式，為了降低計(jì)算的復(fù)雜度和節(jié)約解算空間，取整體模型的四分之一進(jìn)行簡(jiǎn)化運(yùn)算。

（2）模板結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算

對(duì)四分之一模型進(jìn)行建模。施加三面簡(jiǎn)支邊界條件、施加面壓力0.04074MPa，最大應(yīng)力為139MPa，經(jīng)查，為局部集中應(yīng)力所致，該區(qū)域應(yīng)力遞減趨勢(shì)明顯，可忽略集中應(yīng)力作用， 鋼模板的許用應(yīng)力為215MPa，許用變形為1.92mm。從總體受力模型看，強(qiáng)度和撓度均符合實(shí)際要求。模板總體看符合要求，但是總體模型看不出局部或者單塊模板的受力工況，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的單塊模板的受力分析。

圖1 螺栓孔位置優(yōu)化曲線(xiàn)

2.6 分體有限元分析計(jì)算

對(duì)770/1500、陽(yáng)角模板進(jìn)行分體獨(dú)立計(jì)算，由于為單體分析，采用模板四邊簡(jiǎn)支的約束方法，同時(shí)施加面載荷，采用高精度四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，應(yīng)用shell181板殼單元，得到的應(yīng)力、撓度及局部穩(wěn)定性計(jì)算如下。770/1500模板：施加邊界條件及面載荷0.04074MPa

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該模板的最大應(yīng)力與最大撓度均小于許用應(yīng)力與許用撓度，局部穩(wěn)定性的一階屈曲系數(shù)為30，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。陽(yáng)角模板進(jìn)行應(yīng)力及撓度分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，該模板的最大應(yīng)力與最大撓度均小于許用應(yīng)力與許用撓度，局部穩(wěn)定性的一階屈曲系數(shù)為48，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

結(jié)論：

對(duì)異型煙囪的施工用模板進(jìn)行受力分析，并且對(duì)模板加固對(duì)拉螺栓孔進(jìn)行優(yōu)化分析，最終通過(guò)有限元分析方法對(duì)普通模板及陽(yáng)角模板進(jìn)行分析驗(yàn)算，驗(yàn)證了模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為工程實(shí)際模板制作，提供了支持。