談某冷卻塔局部改造的加固設(shè)計(jì)

彭 曉 闖

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火電廠、核電站的循環(huán)水自然通風(fēng)冷卻塔是一種大型薄殼型構(gòu)筑物。建在水源不十分充足的地區(qū)的電廠，為了節(jié)約用水，需建造一個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，以使得冷卻器中排出的熱水在其中冷卻后可重復(fù)使用。大型電廠采用的冷卻構(gòu)筑物多為雙曲線型冷卻塔[1]。雙曲線型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度比較高，節(jié)約材料，容積相對較大也比較美觀，這種造型有利于氣流順暢流通和對流冷卻，收效明顯。冷卻塔用水作為循環(huán)冷卻劑，從某一個(gè)系統(tǒng)里面吸收熱量排放到大氣，以降低水溫的裝置。

其利用水與空氣流動(dòng)接觸后進(jìn)行冷熱交換然后會(huì)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽揮發(fā)帶走熱量達(dá)到蒸發(fā)散熱、對流傳熱和輻射傳熱并以此來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱來降低水溫的蒸發(fā)散熱裝置，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 工程背景

雙曲線冷卻塔名義上為雙曲線形，實(shí)際上，工程實(shí)踐中不是完全按照曲面的幾何形狀去施工，實(shí)際的施工中曲面大多是采用分節(jié)施工的辦法，給定筒壁母線半徑和壁厚然后用多段平面鋼模板去逼近。因此，其最終形狀和雙曲線型的母線是有所差異的，現(xiàn)如今的塔形是材料特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐相互影響的結(jié)果，嚴(yán)格來說和幾何上的雙曲面有差異[2]。

所有的薄殼曲面結(jié)構(gòu)都具有高強(qiáng)度和節(jié)省材料的特點(diǎn)，而在材料性能滿足的條件下，節(jié)省材料也意味著材料對于結(jié)構(gòu)整體的重要性很大，混凝土作為澆筑性質(zhì)材料，澆筑后不宜隨意拆除、隨意改變原始截面，改變截面導(dǎo)致受力情況變化，很可能產(chǎn)生意想不到的安全事故。故采用適合的有限元軟件用來分析截面局部拆除較為恰當(dāng)。

山西臨汾市某冷卻塔高70 m，寬約56 m，底部有“人”字柱共計(jì)40對，現(xiàn)新進(jìn)機(jī)械設(shè)備較大，無法正常搬運(yùn)進(jìn)入冷卻塔內(nèi)部，甲方綜合考慮后采取了裁掉一對“人”字柱的方案，并同時(shí)新增兩根豎向混凝土柱，拆掉后空間擴(kuò)大機(jī)械設(shè)備方可進(jìn)入塔內(nèi)，進(jìn)而不影響工廠正常運(yùn)作。本次改造雖僅涉及一對原混凝土人字柱，因該塔較為龐大，人字柱作為連接構(gòu)件連接著冷卻塔上部結(jié)構(gòu)與環(huán)形基礎(chǔ)，承受著上部塔身的自重以及其余荷載，重要性不言而喻。圖1為冷卻塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖。

2 建模分析

本文將采用MIDAS作為結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行分析核算，冷卻塔高70 m，環(huán)梁直徑56 m，通風(fēng)筒頂部直徑34 m，人字柱共40對，柱高4.3 m。其余結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

將冷卻塔中的各個(gè)構(gòu)件分別簡化為模型中的相應(yīng)構(gòu)件，將環(huán)梁、人字柱用梁單元模擬，環(huán)梁截面為700 mm×750 mm，人字柱及新增混凝土柱截面均為D400。將塔筒以支柱數(shù)目的2倍進(jìn)行環(huán)向分割，截面采用板單元，厚度為變截面，底端厚400 mm，頂端厚200 mm，新增混凝土柱采用C35混凝土，其余材料均采用C30鋼筋混凝土。模型荷載采用結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、溫度荷載三種工況，風(fēng)荷載基本風(fēng)壓采用0.4 kN/m2，溫度荷載為梯度荷載。人字柱底端邊界采用固結(jié)連接。計(jì)算模型見圖2，圖3。模型中刪掉一對人字柱后在原節(jié)點(diǎn)處新增了兩根混凝土柱，直徑同原柱。

經(jīng)過軟件計(jì)算分析，新增兩根混凝土柱的應(yīng)力主要變化為Fx軸力變化，原人字柱的軸力507 kN，新增混凝土柱子軸力為587 kN，其余方向應(yīng)力改變不大。對比各個(gè)工況下結(jié)果，以自重工況下的結(jié)果為主?；炷翍?yīng)力結(jié)果見圖4～圖6。

拆除原人字柱并新增混凝土柱后，在改造位置對于原有混凝土環(huán)梁的影響主要為Mx應(yīng)力方向的應(yīng)力變化，原有40對人字柱構(gòu)成的底部承重結(jié)構(gòu)較為均勻，待拆除一對人字柱新增混凝土柱后形成了新的應(yīng)力集中，由計(jì)算結(jié)果可知，在拆除人字柱周邊各兩跨內(nèi)應(yīng)力變化較為明顯，兩跨以外影響基本可以忽略。新增柱頂處的環(huán)梁X方向負(fù)彎矩由原有2.0 kN·m增大為3.6 kN·m。環(huán)梁應(yīng)力結(jié)果見圖7～圖9。

支座反力結(jié)果見圖10，可知支座反力由876 kN增加為954 kN，增加了約8.9%。綜上所述，拆除原有雙曲線冷卻塔一對人字柱并新增混凝土后，對環(huán)梁的局部受力影響較為明顯，影響范圍大致集中在拆除位置每側(cè)各兩跨，兩跨以外的范圍影響較小可以忽略。另外，改造后的新混凝土柱底的支座反力相比較原人字柱新增了約8.9%，而緊挨著改造處的原有人字柱支座反力由于新混凝土柱分擔(dān)了一點(diǎn)豎向力反而略有減少。新增混凝土柱的配筋可根據(jù)軸力參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

3 加固方案

本次方案采取先加固后拆除的方案，先在拆除部位新增豎向混凝土柱，待強(qiáng)度達(dá)到要求后再對原人字柱進(jìn)行靜力切割，現(xiàn)場方案見圖11，圖12。在對原有圖紙鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行配筋核查后，發(fā)現(xiàn)原有鋼筋滿足改造后的應(yīng)力變化，但為了保險(xiǎn)起見，對改造位置及兩側(cè)各四跨的環(huán)梁進(jìn)行粘貼鋼板加固，此外新增柱頂與環(huán)梁應(yīng)可靠連接，相關(guān)做法可采用增設(shè)支點(diǎn)加固法[3]或參考其余相關(guān)加固規(guī)范。

此外，由于常年使用冷卻塔塔筒根部內(nèi)外壁存在混凝土腐蝕現(xiàn)象，局部有輕微裂縫存在，為了避免腐蝕現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，確保塔體安全，提高塔筒整體延性，擬采用碳纖維加固方案，加固范圍為環(huán)梁頂部3 m。碳纖維具有較強(qiáng)的抗拉性能，易于施工，表面經(jīng)刷防腐涂層后不影響冷卻塔外觀及視覺效果。對于碳纖維加固主要包括3個(gè)步驟：

1)表面處理。

先清除塔筒表面浮漿等雜質(zhì)，然后將環(huán)氧膠泥對表面裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，并打磨平整。刷底層樹脂、粘貼碳纖維。

2)刷底層樹脂。

將要處理的混凝土表面涂刷樹脂層，待干燥后進(jìn)行下一步工序。

3)粘貼碳纖維。

碳布選用300 g/m2，選擇多條密布的方式進(jìn)行粘貼，每一條帶的寬度不大于200 mm，不得使用未經(jīng)裁剪成條的整幅織物滿貼。將涂有粘貼樹脂的碳纖維用手輕壓貼于需要粘貼的位置，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)飽滿。在碳纖維粘貼加固工序完成，待樹脂基本固化后，用膠泥對碳纖維粘貼邊緣進(jìn)行找平。

由于冷卻塔使用環(huán)境的特殊性，粘貼纖維復(fù)合材料將不可避免的暴露在陽光下以及氣體介質(zhì)腐蝕，為此，其表面應(yīng)進(jìn)行防護(hù)處理，以防止長期受陽光或介質(zhì)腐蝕，從而起到延緩材料老化、延長使用壽命的作用。另外除應(yīng)符合相應(yīng)的國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采取專門的粘貼工藝和相應(yīng)的防護(hù)措施外，尚應(yīng)采用耐環(huán)境因素作用的結(jié)構(gòu)粘貼劑。

4 結(jié)語

冷卻塔作為大型工業(yè)建筑，結(jié)構(gòu)龐大受力復(fù)雜，對局部進(jìn)行加固改造時(shí)應(yīng)采用有限元模型進(jìn)行精確驗(yàn)算分析，以此來指導(dǎo)加固設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)采取與實(shí)際施工方法緊密結(jié)合的有效措施，保證改造加固后的結(jié)構(gòu)安全可靠。