冷卻塔外伸剛性環施工三角架結構有限元分析

趙小童， 胡宗軍， 張衛星

(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)

0 引 言

雙曲線冷卻塔是火力和核力發電中使用的超大型冷卻設備，其施工方法和安全性是冷卻塔建造過程中的重難點，引發了學者廣泛的分析和研究。竺召煒[1]探討了三種冷卻塔施工方法的優缺點。張衛東等[2]針對實際工程中外伸剛性環施工三角架支撐體系剛度不足的問題，提出可靠的整體加固方案。張厚先等[3]探討了施工過程中不同施工工況對支撐桁架穩定性的影響。胡婷等[4]對冷卻塔環梁處的施工桁架結構進行分析并加以優化。徐亮等[5]對環梁及X柱分段現澆過程中兩種施工支架結構搭設方案進行分析，得出環形滿堂式結構更為合理。劉東華[6]對冷卻塔外伸剛性環進行分析，指出在剛性布置合理的情況下，其厚度與寬度到達一定程度后，冷卻塔的屈曲因子將不再隨之增加而增加。

目前冷卻塔建設中常用的施工方法為三角架翻模施工法，具有操作簡單、模板拼縫少、工期短、成本低、施工質量容易控制等優點[7-9]。當施工至冷卻塔塔頂外伸剛性環處，三角架承受的荷載顯著增大，其施工支架安全問題尤為突出。“11·24”江西豐城電廠冷卻塔施工平臺倒塌事故更是為冷卻塔安全施工敲響了警鐘[10-12]。

本文以某雙曲線冷卻塔外伸剛性環澆筑為例，使用有限元法分析了三種三角支撐結構的加固方案。如圖1所示，完整的一榀三腳架是由內側和外側兩部分三腳架組成的，其中，內側三角架主要支撐裝載混凝土的小車及施工人員，外側三角架主要承擔剛性環的自重。每層三角架外側由腳手管相連，起傳遞荷載和增加穩定性的作用。

1 模型建立

外伸剛性環施工時混凝土澆筑及鋼筋重量主要由筒壁外側上層三角架承擔，并通過外端腳手管傳導至下方三角架。但外端腳手管無法有效緩解上層三角架的應力。有限元計算結果表明，在本工程外伸剛性環施工時，筒壁外側三角架最大拉彎組合應力為366.8 MPa，位于三角架頂端水平桿中部，遠超Q235鋼材的設計值205 MPa；頂端水平桿最大位移為9.28 mm，超過許用位移5 mm。結構強度和剛度均不滿足要求，現擬定三種加固方案。

1.1 施工方案

1.1.1 方案1

方案1采用與腳手管截面相同的桿件作為附加傳力桿件，與三角架中的水平桿相連，將上下3層連為整體。為了確定附加豎桿在三角架中最佳加固位置區域，本方案根據附加傳力桿件與筒壁處豎向桿之間的距離x選取了13個加固位置，如圖2所示。

圖2 方案1加固桿件位置變化示意圖

1.1.2 方案2

方案2采用與腳手管截面相同的桿件作為附加斜向傳力桿件，其底端抵住筒壁處豎向桿，與第二層的豎向桿、水平桿和第一層水平桿相連，使結構成為整體。根據斜向傳力桿件與第一層水平桿的連接位置分為兩個工況：①工況1，斜向傳力桿件與第一層水平桿最外端相連接；②工況2，斜向傳力桿件與第一層水平桿中部相連接，如圖3所示。

圖3 方案2斜向力桿位置變化

1.1.3 方案3

方案3更換施工順序，附加承力鋼絲繩。原施工步驟為：①建造外伸剛性環；②待外伸剛性環混凝土達到強度要求后，在筒壁處澆筑塔頂女兒墻。更改施工順序后的施工步驟為：①澆筑剛性環外伸總長度一半和女兒墻，在女兒墻內預埋拉索；②待強度達到要求后，將預埋拉索與外側三角架上層水平桿中部連接，澆筑剩余剛性環，如圖4所示。

圖4 方案3加固方案示意圖

1.2 有限元建模計算

三角架支撐體系是圍繞冷卻塔筒壁的圓周對稱結構，因此可利用MIDAS Civil有限元軟件對一榀三腳架進行建立3種加固方案的數值模型，共2 871個單元，1 463個節點，分多個施工步進行計算其力學特性。該有限元模型采用梁單元來模擬水平桿、豎向桿、斜撐桿和腳手管，主要材料為Q235鋼。模型中整體坐標系為空間直角坐標系，原點位于三角架底端，x軸沿筒壁切線方向，y軸沿筒壁徑向，z軸沿豎直方向。由于相鄰兩榀三角架之間以環向腳手管在水平桿外端點處進行連接，故在模型相應位置處約束x方向位移。豎向桿與模板之間以圍檁相隔，在模型相應位置處約束y方向位移。對拉螺桿經預埋管穿過筒壁連接內外兩側三角架，模型中約束對拉螺桿x、z方向位移。水平桿、豎向桿、斜撐、對拉螺桿之間以螺栓進行連接，腳手管及附加桿件與三角架結構以扣件進行連接，因此模型中各個桿件相交節點采用鉸接的方式進行連接。

在剛性環施工過程中，整個三角架所承受的荷載為剛性環的自重、內側小車和施工荷載等。將剛性環的自重等效為線荷載，小車、施工人員、鋼模板、吊架等效為節點荷載。按照安全要求，對剛性環自重施加了1.1倍的沖擊系數和1.2倍的荷載分項系數，其他荷載施加了1.2倍的荷載分項系數。

2 計算分析

2.1 方案1計算分析

圖5為附加桿件和筒壁豎向桿之間距離x=0 mm(未加固狀態)和700 mm時，外側三角架結構拉彎組合應力、位移計算結果。圖6為隨附加桿件和筒壁豎向桿之間距離x變化，外側三腳架水平桿、豎向桿的最大拉彎組合應力、位移及附加桿件軸力變化曲線。

圖5 方案1外側結構代表工況計算應力、位移變化云圖

圖6 方案1各構件拉彎組合應力、位移、軸力隨距離x變化曲線圖

未加固狀態下，外側三角架上層水平桿中部并未與其他桿件進行連接，強度和剛度不足，水平桿中點處應力和位移最大。從圖5中各個桿件的最大拉彎組合應力、位移、軸力變化趨勢可知，附加傳力桿件可將荷載有效傳遞至整個三角架結構中。當附加傳力桿件位于水平桿中部，即x=700 mm時，外側三角架上下3層水平桿位移相近且上層水平桿位移最小，結構最大拉彎組合應力、位移最小，外伸剛性環施工荷載均勻分配到3層三腳架上，剛性環一側應用附加傳力桿加固的3層三角架支撐結構整體性能最好。

2.2 方案2計算分析

方案2種的工況1為部分冷卻塔建造工程項目中外伸剛性環施工時三角架支撐結構常用的加固布置方案，工況2是將斜向傳力桿件與上層水平桿中點處(方案1最優位置)相連。兩種方案外側三腳架的拉彎組合應力和位移結果如圖7所示，可以發現兩種工況均可增強上、中2層三腳架的整體強度和剛度，緩解上層水平桿應力和位移。

圖7 方案2各工況計算應力、位移變化云圖

比較工況1與未加固狀態下的三腳架的應力和位移結果可知，附加斜向桿件可以有效降低斜撐桿的應力，但無法有效降低上層水平桿的應力及位移；工況2中斜向傳力桿與上層水平桿中點相連的方案能夠有效降低上層水平桿應力及位移。與方案1的最優結果相比，工況2中剛性環一側拉彎組合應力及位移較小，其對增加外伸剛性環施工過程中底部三角架支撐結構強度及剛度優于加固方案1。

2.3 方案3計算分析

圖8為更改施工順序后不同施工階段外側三腳架的拉彎組合應力和位移云圖。由圖8可知，最危險狀態為施工階段2，即剛性環后半段混凝土澆筑時。此時施工階段1澆筑的女兒墻及前半段剛性環已達強度要求，三角架上層水平桿發生較小位移。預埋拉索一端連接女兒墻，另一端連接外側三角架上層水平桿，將剛性環后半段施工荷載傳導至女兒墻處。由圖8可知，拉索可以有效降低施工階段2處后半段剛性環施工荷載對三角架上層水平桿的不利影響，但該方案改變施工順序，使得施工過程過于復雜。

圖8 方案3個各工況計算應力、位移變化云圖

3 結果分析

將上述三種方案中外側三角架最大拉彎組合應力及位移計算結果加以匯總，見表1。

表1 三種加固方案最優工況的應力、位移數據

由表1可知：

(1) 應力方面，三種方案均可有效降低上層水平桿拉彎組合應力，其中無論是豎向桿還是水平桿，方案2對于拉彎組合應力的改善效果優于另外兩種方案。

(2) 位移方面，因方案2中附加斜向傳力桿件下端抵住已達強度標準的冷卻塔筒壁處，使得該方案外側三角架桿件位移降低明顯優于其他方案。

(3) 施工難度方面，方案1、2均將附加傳力桿件以扣件連接的形式搭外側三角架桿件，但方案1需搭接上下3層水平桿，而方案2僅在前2層進行斜向施工，方案2操作難度與方案1相比有所減弱，而方案3則更改施工順序，并將剛性環分為兩部分進行施工，致使施工難度加大，施工人員需重新規劃施工方案，易造成工期延長。因此，三種加固方案中，無論從外側三角架各類桿件的拉彎組合應力、位移改善情況，還是從施工難度進行分析，加固方案2優于其余兩種方案。

4 結 論

本文通過有限元軟件對雙曲線冷卻塔外伸剛性環施工支撐體系進行加固分析，提出3種加固方案以提高結構的剛度和強度，保證施工安全。主要結論如下：

(1) 在外伸剛性環施工時，三角架支撐體系所承受荷載較筒壁施工時所承受荷載相對偏大，導致三角架上層水平桿應力過大，應進行相應的結構加固，加強三角架結構的整體性。

(2) 根據方案1中13種三角架加固設計結構的有限元分析結果，得出在附加桿件和筒壁豎向桿之間的距離為7 00 mm時，結構整體性能最優。

(3) 當附加桿件和預埋拉索與三角架上層水平桿連接點位置相同時，綜合比較了三種加固方案的有限元分析結果，發現剛性環一側三角支撐架結構在方案1中位移較大，在方案3中拉彎組合應力略大。從施工角度分析，方案1與方案2施工難度基本相同，方案1較方案2耗材較多，而方案3更改了施工順序，增加了施工難度，綜合考慮，方案2中工況2的加固措施優于其他方案，即利用斜向傳力桿與上層水平桿中部相連，將剛性環施工荷載傳遞至筒壁處方案最優。