新型造粒塔噴頭層結(jié)構(gòu)及危大工程設(shè)計(jì)

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

造粒塔作為尿素裝置中重要的大型化工設(shè)備，其整體設(shè)計(jì)包含工藝方案、結(jié)構(gòu)選型、地震驗(yàn)算、施工技術(shù)、防腐措施等各個(gè)方面。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、化工產(chǎn)能的逐漸擴(kuò)大，造粒塔直徑不斷增大，高度不斷增高；另外，由于環(huán)保要求的提高，除塵及節(jié)能裝置更新?lián)Q代，設(shè)備質(zhì)量體積相應(yīng)升級(jí)，造成噴頭層承受荷載與以往相比大大增加。在造粒塔建造過程中，塔壁一般采用滑模施工，噴頭層則利用高空施工平臺(tái)方式搭設(shè)，按照國家有關(guān)規(guī)定及要求，以上內(nèi)容均屬于危大工程(危險(xiǎn)性較大工程的簡稱)的范疇，需要指出重點(diǎn)部位和環(huán)節(jié)，有必要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)[1]。

造粒塔噴頭層距地面高度高、跨度大，底面以下全部為空筒(至少在50 m以上)，屬于典型的高空大跨度結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)在造粒塔的直徑大多超過了24 m，噴頭層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須符合危大工程相關(guān)安全要求：不但要滿足自身結(jié)構(gòu)安全，還需考慮整個(gè)復(fù)雜施工過程荷載變化對(duì)施工安全的影響。

目前，造粒塔噴頭層主受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用一字形型鋼混凝土大梁，或者是鋼筋混凝土井字梁、輻射梁體系。

由于噴頭層施工高度較高，傳統(tǒng)的腳手架施工方式已不適用，目前多使用滑模施工法，施工面主要采用3種平臺(tái)結(jié)構(gòu)：裝配式滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)、大直徑變結(jié)構(gòu)滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)、挑架式柔性操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)[2]。

通過對(duì)比傳統(tǒng)施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)，噴頭層施工大部分采用輻射鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。以裝配式滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)為例(見圖1)，其采用剛性圈輻射桁架平臺(tái)，即輻射鋼桁架與中心鋼性圈相連，節(jié)點(diǎn)連接較多，且使用范圍小于26m。對(duì)于超過26m的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前采用變結(jié)構(gòu)滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)(見圖2)，其實(shí)質(zhì)是裝配式滑模平臺(tái)的升級(jí)版——通過設(shè)置上下兩層弦桿，以加大中心剛性圈的剛度，并加大桁架高度以提高桁架剛度及承載力。挑架式柔性操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)只針對(duì)滑模施工，不適用于噴頭層結(jié)構(gòu)的施工。

圖1 裝配式滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖 2 大直徑變結(jié)構(gòu)滑模平臺(tái)結(jié)構(gòu)

本文提出一種雙層疊合桁架式結(jié)構(gòu)形式，與噴頭層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，形成新型的受力結(jié)構(gòu)，旨在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、功能性的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省費(fèi)用，保證此類危大工程施工安全。以下通過實(shí)際工程來展示這種新型噴頭層的應(yīng)用情況。

1 工程概況

本工程為晉開化工百萬噸總氨項(xiàng)目配套尿素工程尿素裝置造粒塔，造粒塔直徑(內(nèi)徑)26m，造粒塔主筒體頂標(biāo)高為116.800m，樓梯間頂標(biāo)高為124.100m。現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒結(jié)構(gòu)，標(biāo)高21.600m以下，筒壁厚550mm，樓電梯外壁厚250mm；標(biāo)高21.600m以上，筒壁厚350mm，樓電梯外壁、內(nèi)壁厚均為200mm。

噴頭層與其屋面設(shè)計(jì)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，兩側(cè)混凝土勁性深梁橫貫整個(gè)造粒塔形成主受力構(gòu)件支撐，在施工階段，由其中鋼骨即鋼桁架支撐全部質(zhì)量，在完成各個(gè)施工階段之后，由混凝土深梁承受全部設(shè)計(jì)荷載。

2 結(jié)構(gòu)分析與施工階段劃分

從桁架到達(dá)指定位置到最終形成受力構(gòu)件，施工荷載不斷變化，分析相應(yīng)設(shè)計(jì)荷載，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系，將整個(gè)施工過程分為5個(gè)階段。

第一階段：第一層子桁架隨著滑模提升到位，作為施工操作承載體系；第二階段：在第一階段已經(jīng)提升到位的第一層子桁架上組裝第二層子桁架，形成雙層鋼桁架；第三階段：鋼桁架組裝完成后，澆注下半段鋼桁架和噴頭層底的混凝土；第四階段：待第三階段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，澆注全部混凝土，形成主受力構(gòu)件——高空大跨度多層桁架式型鋼混凝土組合深梁；第五階段：深梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，承受施工、噴頭層結(jié)構(gòu)、上部內(nèi)排風(fēng)筒結(jié)構(gòu)、安裝設(shè)備等全部荷載。

3 雙層桁架疊合式平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式

第一階段時(shí)，將兩榀一層子桁架加工成型后，通過吊裝支撐在塔壁上，其位置與噴頭層結(jié)構(gòu)深梁的位置保持一致。子桁架在每側(cè)設(shè)置千斤頂，與平臺(tái)結(jié)構(gòu)同時(shí)滑模上升。達(dá)到預(yù)定高度后就位安裝上層子桁架，形成雙層桁架疊合式平臺(tái)，其承載著噴頭層整個(gè)施工階段的荷載。結(jié)構(gòu)形式見圖3、圖4[2]。

圖3 第一層子桁架

圖4 疊合式桁架注：1—上弦桿；2—直腹桿；3—下降式斜腹桿；4—下弦桿；5—加強(qiáng)板；6—塔壁；7—預(yù)留拼接接頭；8—埋入式端柱；9—第一層子桁架；10—第二層子桁架。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)鋼桁架驗(yàn)算。雙層鋼桁架的形式特殊，有別于普通桁架，但受力特點(diǎn)遵循上部受壓、下部受拉的原則。為了更好地顯示其受力性能，將這個(gè)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元計(jì)算，并加入到造粒塔模型一并考慮。不但觀察其內(nèi)力分布，而且對(duì)支座內(nèi)力及造粒塔塔壁影響進(jìn)行分析，考慮塔壁局部加強(qiáng)措施。

(2)塔壁影響。當(dāng)鋼桁架的受力形式向型鋼混凝土梁的受力形式逐漸轉(zhuǎn)變時(shí)，意味著結(jié)構(gòu)體從塔壁的支點(diǎn)連接過渡為延塔壁豎向的整體連接，通過對(duì)比同等工況下的鋼桁架和混凝土梁塔壁受力情況給出結(jié)論。另外，當(dāng)勁性混凝土大梁形成后，由于上部荷載的變化，為塔壁受力相應(yīng)變化，也提供了依據(jù)。

為了更好地分析結(jié)果，按照本項(xiàng)目實(shí)際情況，利用SAP2000軟件，將造粒塔及相應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同工況下的受力情況進(jìn)行模擬。

5 有限元整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 主要計(jì)算參數(shù)

①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)r0=1.0；②本工程場地類別為Ⅱ類，場地土為中軟土；③本工程地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，地震分組為第一組，本工程建筑抗震設(shè)防類別為丙類；④混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

5.2 荷載

①設(shè)計(jì)活荷載：樓梯及樓梯平臺(tái)為3.5kN/m2；噴頭層、塔頂屋面為3.0kN/m2；②溫度荷載：其中，月平均最低氣溫為-5℃，造粒塔內(nèi)部最高溫度按80℃考慮；③基本風(fēng)壓：0.45kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓：0.35kN/m2；④平臺(tái)荷載：吊平臺(tái)自重(恒載為40.8kN/m2，包括吊桿、平臺(tái)木跳板及鋼管方格網(wǎng))、吊平臺(tái)貨物堆放荷載及人員活動(dòng)荷載(活載為2kN/m2)。

5.3 工況組合

主要考慮施工狀態(tài)下的荷載組合：11.2(恒)+1.4(活)；②1.35(恒)+1.4×0.7(活)。

5.4 雙層鋼桁架驗(yàn)算

本次危大工程設(shè)計(jì)分兩階段：第一階段為雙層桁架組裝過程中，單層桁架作為施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)所承受的荷載驗(yàn)算；第二階段為雙層桁架組裝完成后，混凝土分段澆筑過程中整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況。雙層鋼桁架與造粒塔模型見圖5。

圖5 雙層鋼桁架與造粒塔模型

危大工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對(duì)雙層鋼桁架本身承載力進(jìn)行了計(jì)算。當(dāng)按照最不利荷載組合，考慮4.5m高混凝土荷載作用在雙層結(jié)構(gòu)之上時(shí)，計(jì)算桿件最大內(nèi)力，軸向壓力為1 779kN，軸向拉力為1 842kN，鋼桁架最大應(yīng)力比上弦桿為0.66，下弦桿為0.59，斜腹桿為0.72；考慮7m高混凝土荷載作用在雙層結(jié)構(gòu)之上時(shí)，計(jì)算桿件最大內(nèi)力，軸向壓力為2 633kN，軸向拉力為2 643kN，鋼桁架最大應(yīng)力比上弦桿為0.96，下弦桿為0.92，斜腹桿為0.99。

按照實(shí)際情況，鋼桁架下弦中心線對(duì)應(yīng)噴頭層底部即造粒塔高100m的位置。為了更好地對(duì)比，選擇桁架澆筑混凝土至4.5m以及7.5m時(shí)，整體鋼桁架沿塔壁高度方向受力對(duì)比見表1。

表1 澆筑4.5m與7.5m高混凝土?xí)r雙層鋼桁架對(duì)塔壁的影響比較

5.5 混凝土深梁驗(yàn)算結(jié)果

為了考察混凝土深梁結(jié)構(gòu)在驗(yàn)算中承擔(dān)的作用，對(duì)4.5m及7.5m高的混凝土深梁進(jìn)行計(jì)算，看其在同等荷載條件下與雙層鋼桁架相比對(duì)塔壁的影響(見表2)。

表2 澆筑4.5m與7.5m高混凝土深梁對(duì)塔壁受力影響比較

6 計(jì)算結(jié)果分析

6.1 鋼桁架驗(yàn)算

在單層桁架隨滑模上升過程中，考慮在足夠的安全前提下，應(yīng)盡量減輕自重。

雙層鋼桁架高空組裝完成后，由于其在澆筑過程中桁架內(nèi)力較大，應(yīng)考慮減少弦桿或腹桿平面外長度或混凝土澆筑分段施工方式，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

6.2 各階段內(nèi)力比較

在雙層鋼桁架受力體系下，塔壁不同位置的內(nèi)力數(shù)據(jù)顯示：①塔壁承受最大豎向力發(fā)生在上弦桿下方約500mm位置，其次豎向力為中間弦桿下方，下弦桿下方內(nèi)力變化不明顯；②由于弦桿上部受壓，下部受拉，引起整個(gè)塔壁環(huán)向受力上部為受壓區(qū)，下部為受拉區(qū)，中間弦桿位置受力較小；③塔壁環(huán)向彎矩和豎向彎矩明顯受到受壓區(qū)與受拉區(qū)的影響，兩種荷載情況下，整個(gè)截面受力形式類似。

在混凝土深梁受力體系下，圖示數(shù)據(jù)顯示：①沿端部截面所有豎向軸力集中在造粒塔100m高度位置。通過分析，這主要是因?yàn)榻＿^程中將深梁端部與塔壁連接設(shè)置為剛性連接，而導(dǎo)致整個(gè)端部成為一個(gè)“剛體”，不再顯示內(nèi)力變化。即使考慮內(nèi)力擴(kuò)散效應(yīng)，深梁底部的壓應(yīng)力依然很大；②與鋼桁架受力體系類似，塔壁在深梁截面范圍依然表現(xiàn)出上部受壓、下部受拉的受力特點(diǎn)。另外，其豎向彎矩同樣由于剛體的原因并沒有顯示。

6.3 第三階段結(jié)構(gòu)成型后受力分析

第三階段結(jié)束后，整個(gè)結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)受力體系：一個(gè)是下部型鋼混凝土深梁結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是作為骨架的雙層鋼桁架。為保證整體結(jié)構(gòu)安全，已針對(duì)兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行驗(yàn)算，保證上部型鋼滿足受壓要求，下部深梁滿足配筋及變形要求。在整個(gè)施工過程中，恒載主要為模板和混凝土自重，活荷載則顯示為施工人員操作荷載。按照軟件分析結(jié)果，第二階段型鋼混凝土成型后，桁架底層弦桿存在不可逆轉(zhuǎn)的彎曲變形(見圖6)；因此在第三階段混凝土澆筑過程中，應(yīng)考慮底部弦桿的初始彎曲變形對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響。具體計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖6 第二階段完成時(shí)的變形影響

圖7 考慮底層弦桿變形第三階段計(jì)算彎矩(D+L)

6.4 雙層鋼桁架與型鋼混凝土深梁結(jié)構(gòu)承受相同荷載時(shí)各自對(duì)塔壁的受力分析

相同的荷載情況下，混凝土深梁結(jié)構(gòu)(見圖8)與鋼桁架(見圖9)在塔壁上顯現(xiàn)出不同的受力情況。不論對(duì)于哪種結(jié)構(gòu)，支座區(qū)域下方都需要按照所得數(shù)據(jù)驗(yàn)算壓應(yīng)力，由于受力原理不同，導(dǎo)致壓應(yīng)力最大值位置截然不同，設(shè)計(jì)中需引起注意，對(duì)應(yīng)位置宜按照計(jì)算結(jié)果采用受壓鋼筋加強(qiáng)。

圖8 混凝土深梁在塔壁上豎向軸力

圖9 鋼桁架在塔壁上豎向軸力

7 疊合式雙層鋼桁架設(shè)計(jì)

7.1 雙層鋼桁架體系與單層鋼桁架體系優(yōu)勢比較

目前，比較常見的有使用單層桁架作為施工噴頭層結(jié)構(gòu)受力體系支撐，其拼接全部為高空組裝，構(gòu)件截面較大，受力明確，形式簡單。為便于比較，按照同等條件設(shè)計(jì)的雙層鋼桁架體系與單層桁架體系見表3。

筆者注意到，在高空組裝該桁架時(shí)，必須借助提前搭設(shè)的施工平臺(tái)，否則無法保證高空組裝的安全性，也必然導(dǎo)致其造價(jià)相對(duì)較高。相對(duì)比，雙層鋼桁架形式雖略復(fù)雜，但在施工應(yīng)用過程中取消了高空搭設(shè)平臺(tái)這一環(huán)節(jié)，既能減少相應(yīng)費(fèi)用，又可取消危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，為施工專項(xiàng)方案提供有力保證。同時(shí)，由于組裝構(gòu)件截面較小，安裝質(zhì)量也相對(duì)容易保證。

表3 雙層鋼桁架體系與單層鋼桁架體系對(duì)比

7.2 雙層鋼桁架體系平面外穩(wěn)定問題

計(jì)算單層鋼桁架時(shí)，平面外取兩個(gè)節(jié)間，每隔兩個(gè)節(jié)間設(shè)置橫向支撐，保證穩(wěn)定性。

雙層鋼桁架拼接完成之后，為保證7m高的桁架有足夠的側(cè)向穩(wěn)定性，每隔桁架一個(gè)節(jié)間設(shè)置槽鋼剪刀撐，高度同桁架。

7.3 噴頭層結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑(設(shè)計(jì)要求)

噴頭層在混凝土澆筑過程中應(yīng)采用分段澆筑的方式，在計(jì)算中雙層鋼桁架對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的保證為澆筑4.5m混凝土以下荷載，之后荷載將逐漸轉(zhuǎn)移至深梁受力體系承受。因此，下段澆筑完成28d、混凝土達(dá)到強(qiáng)度之后，方可進(jìn)行上段澆筑。推薦采用在高度為1.6m、4.5m、7m位置分3次澆筑完成。

7.4 塔壁局部加強(qiáng)措施

根據(jù)鋼桁架以及深梁計(jì)算結(jié)果，明確塔壁局部受力較大位置為雙層桁架上下弦的3個(gè)支撐點(diǎn)下方，無需整體提高塔壁壁厚。塔壁采取如下加強(qiáng)措施：①對(duì)上述受力較大位置設(shè)置附加抗壓鋼筋，范圍是高度1～2m，提高混凝土抗壓承載力；②增加深梁與塔壁相交處水平方向腋角并設(shè)置抗裂鋼筋，擴(kuò)大端部內(nèi)力消散范圍。

8 結(jié)語

本文圍繞造粒塔及噴頭層設(shè)計(jì)，針對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工組織，利用有限元軟件進(jìn)行了一系列計(jì)算分析。分別對(duì)噴頭層受力結(jié)構(gòu)、施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)、塔壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的設(shè)計(jì)優(yōu)化，考慮不同施工階段各種工況，對(duì)一些重要環(huán)節(jié)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并提供相應(yīng)理論依據(jù)。目前，本工程已經(jīng)完工，新型施工平臺(tái)及噴頭層設(shè)計(jì)的應(yīng)用，遵照危大工程安全管理規(guī)定的要求，符合設(shè)計(jì)施工相統(tǒng)一的原則，其造粒塔噴頭層設(shè)計(jì)新理念會(huì)將大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。