雙曲線冷卻塔筒壁缺陷混凝土加固施工技術研究

0 引言

作為冷卻構筑物的雙曲線型冷卻塔是一種大型薄殼結構，廣泛應用于大型電廠的冷卻系統中[1]。大多數雙曲線型冷卻塔采用鋼筋混凝土結構，因其耐久性好、無需防腐處理且國內施工技術成熟等優點而受到青睞[2]。然而隨著時間的推移，雙曲線型冷卻塔的筒壁也會發生老化、磨損或者外因引起結構損傷，從而威脅其安全性和可靠性[3。為了確保雙曲線型冷卻塔的長期穩定運行，經常使用碳纖維復合材料、增設斜撐或橫梁、涂覆防銹蝕涂料、更換受損部分以及加裝內部支撐結構等方法進行加固。

本文以一座需要采用置換混凝土加固法進行修復的雙曲線型冷卻塔為例，利用ANSYS軟件進行有限元模擬分析，研究了冷卻塔筒壁需要開出洞口部位的力學和變形特性。在此基礎上，通過置換原有的缺陷混凝土，使冷卻塔筒壁的承載能力和耐久性恢復到設計標準。本文研究的目的是為冷卻塔筒壁的加固設計與施工提供科學依據，確保冷卻塔結構的安全性和可靠性，延長冷卻塔的使用壽命，同時降低維護成本。

1冷卻塔及其加固工程概況

1.1冷卻塔技術數據

某發電廠冷卻塔是一座鋼筋混凝土雙曲線自然通風式冷卻塔。塔高 99m ，塔底標高 6.2m ，半徑 35.9m 傾斜角 17^° ，喉標高 84.8m ，半徑 21.3m ，殼頂標高105.2m ，半徑23.1m（均為中面尺寸）傾角度 6^° 。下部壁厚為 489mm ，中部壁厚為 168mm ，上部壁厚為 0.25m 無傾角。冷卻塔塔筒、環基、人字柱為C35鋼筋混凝土，主要受力鋼筋采用HRB400。

1.2環境情況

冷卻塔所在地區30年來最低氣溫為 -47^°C ，土壤最大凍結深度為 3.3m 。計算筒壁溫度作用時，混凝土的徐變系數取值為0.5。進行塔筒的剛性環環向驗算時，按照正常使用極限狀態下裂縫對剛度的影響，溫度效應乘以0.6折減系數，不考慮混凝土的徐變系數。

1.3 風荷載情況

冷卻塔所在地區最大風速按百年一遇的最大高度10m處、10min平均時距計算，得到平均最大風速為30.4m/s 。雙曲線型冷卻塔兼具超高層建筑和超大跨空間結構自振頻率低、模態密集、阻尼比小等特點，是典型的風敏感結構[4-6]。

我國現行相關設計規范[7]規定的冷卻塔風荷載計算公式如下：

ω_cz=β_zμ_sμ_zω₀

式中： ω_cz 為平均風載荷標準值 kN/m² ）； β_z 為高度z 處的風振系數，據相關規范取值1.5； μ_s 為風荷載體型系數； μ_z 為風壓高度變化系數； ω_?0 為基本風壓 （kN/m² 按百年一遇取值 0.5kN/m² ）。經計算得知，在塔筒表面分布的最大風荷載為 2400kN 0

1.4加固需求與加固方案

1.4.1加固需求

冷卻塔自下往上第15節筒壁（長度約 96m ，高度約1.3m）出現嚴重的缺陷，其混凝土表面疏松不密實、鋼筋外露，已不滿足設計強度要求。需要對缺陷部位的混凝土采取措施進行處理。第15節筒壁中面底標高為24.357m ，壁厚為 168mm ，中面半徑為 30.656m 。共58塊原施工模板，模板的尺寸為 1m×1.35m ，弧長約為58m.

1.4.2 加固方案

擬采用置換混凝土的方案進行加固，即鑿除舊混凝土并保留原有鋼筋，在加固區域置換新混凝土。第15環共有193塊板，施工過程中筒壁結構完整性的保持率須超過 96% ，因此最多分兩組，每組連續鑿除3塊板。為確保冷卻塔筒壁結構的安全穩定，需要對其加固部位的鑿除順序進行規劃設計，以保證施工的安全、質量和效率。

2ANSYS有限元分析

2.1建立離散化分析模型

ANSYS計算模型中，塔筒選用She1163彈性殼單元。該單元既具有彎曲能力，又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。該單元有4個節點，每個節點有6個自由度。

斜支柱采用兩節點6自由度的Beam188空間梁單元，假定斜支柱與塔筒底部的剛性環梁為剛性連接，則設為She1163彈性殼單元。設冷卻塔來風方向角為 0^° ，施加所選面的風荷載，利用ANSYS有限元軟件對風載荷函數進行定義，并實施加載。從工程實際應用出發，僅對冷卻塔結構（尤其是塔筒）線彈性工作階段的力學性能進行分析、計算，研究其應力和變形的分布規律，確保結構的安全性和穩定性。

2.2網格劃分

塔筒采用矩形四邊形單元，通過控制單元邊長來設定單元大小，塔筒底部剛性環梁、頂部環梁和洞口邊緣進行局部加密處理。

2.3筒壁分組編號

需要加固的冷卻塔第15節筒壁，以其原施工模板為基本洞口單位，針對洞口大小、洞口距離，分別設置3組工況進行對照。筒壁模板分組編號如圖1所示。

2.4工況設置

工況1：依據原混凝土結構采用為 1m×1.35m （寬× 高）的定型鋼模板尺寸，洞口尺寸為 1m×1.35m （寬× 高），兩個洞口之間的間距為 5.8m （工況1僅作對照）。

工況2：洞口的寬 x 高為 3m×1.35m ，兩個洞口的弧長間距約為 58m ，見圖1的第1組和第2組。

工況3：洞口尺寸為 3m×1.35m （寬 × 高），兩個洞口的弧長間距約為 25m ，詳見圖1的第1組和第19組。

3 工況模擬結果

3.1工況1模擬結果

圖2為冷卻塔筒壁第15節工況1洞口處的等效應力云圖。由圖2可知，洞口附近的應力集中現象比較明顯，尤其是矩形洞口的角點，其最大等效應力峰值約為9.3MPa ，水平方向應力值比豎直方向大。

圖3為冷卻塔筒壁第15節工況1在荷載作用下的變形云圖。由圖3可知，中面底標高為 24.357m 兩個洞口的間距為 5.8m 時，塔筒的最大變形量約為 12.9mm 。

3.2工況2模擬結果

圖4為冷卻塔筒壁第15節工況2洞口處的等效應力云圖。由圖4可知，筒壁洞口處存在應力集中現象，最大等效應力值約為3.8MPa，且最大等效應力處于矩形洞□的角點。

圖5為冷卻塔筒壁第15節工況2在荷載作用下的變形云圖。由圖5可知，當中面底標高為 24.357m 、兩個洞口間距約為58m時，塔筒的最大變形量約為 3.63mm 而人字柱和塔筒連接處存在應力集中現象，應力明顯升高。

3.3 工況3模擬結果

4.1工況模擬結果匯總

圖6為冷卻塔筒壁第15節工況3洞口處的等效應力云圖。由圖6可知，筒壁洞口處存在應力集中現象，最大等效應力值約為4.2MPa，且最大等效應力處于矩形洞□的角點。

圖7為冷卻塔筒壁第15節工況3在荷載作用下的變形云圖。由圖7可知，當中面底標高為 24.357m 、兩個洞口間距約為25m時，塔筒的最大變形量約為 3.8mm. 并且類似于工況1，人字柱與塔筒連接處存在應力集中現象，應力明顯升高。

4對模擬結果的分析和建議

3種工況下冷卻塔塔筒的各項數據匯總入表1所示。

4.2工況模擬結果分析

工況1的模擬計算結果顯示，當筒壁為兩個較小洞□（ 1m×1.35m 、且間距較近（5.8m）時，筒壁矩形洞□的最大等效應力值最大、塔筒的最大變形量也最大。

工況2的模擬計算結果顯示，當筒壁洞口為3m×1.35m 、且兩個洞口位于第1組和第2組位置（相距弧長為 58m ）時，其矩形洞口的最大等效應力值和塔筒的最大變形量均最小。

工況3的模擬計算結果顯示，當筒壁洞口為3m×1.35m 、且兩個洞口位于第1組和第19組位置（間距約為 25m ）時，其矩形洞口的最大等效應力值和塔筒的最大變形量均適中。

4.3綜合分析

通過上述分析得出以下結論：在工況1中，雖然洞口尺寸最小且距離最近，但是筒壁承受的最大等效應力值和塔筒承受的最大變形量均最大，因此該工況最不利于施工。在工況2中，盡管洞口距離最遠，且洞口尺寸與工況3相同，但變形與應力數據卻相對較低。結合工況3的數據，可以推斷出：洞口距離的增大，有助于降低冷卻塔的等效應力值和變形量。

然而工況2中理想的洞口距離無法始終保持。因此需要在確保結構安全的前提下，平衡施工效率和結構性能。對于工況3，施工過程中洞口距離能夠保持在一個較大的范圍之內，與工況2相比，洞口的最大等效應力增加了 9.5% ，塔筒的最大變形量增加了 21% 。

盡管如此，通過將洞口距離設置在 25m ，確保了施工的穩定性，既提高了施工效率，又保證了結構的安全性和可靠性。

4.4 施工順序建議

綜合各工況的分析結果發現，塔筒洞口的最大等效應力普遍低于15MPa，工況2和工況3的最大變形均低于4mm，冷卻塔的結構依然安全可靠。因此，建議在洞口距離方面，推薦采用工況3的施工方法。對冷卻塔筒壁缺陷混凝土的置換加固施工順序，提出以下建議：

在第一階段，對第1組和第19組同時鑿除缺陷混凝土，澆筑完成后進行養護，等待新混凝土強度達到原設計強度后，再進入第二階段。

在第二階段，由于第20組為單個鋼筋混凝土模塊，為了保證洞口距離保持在 25m ，跳過第20組，對第3組和第18組位置的缺陷混凝土進行鑿除并澆筑新混凝土。

在第三階段，繼續按照上述方法，對第5組和第16組以及之后的各組分別依次進行缺陷混凝土鑿除和新混凝土澆筑。

在第四階段，將第20組與第2組同時鑿除缺陷混凝土，澆筑完成新混凝土后進行養護。至此所有缺陷混凝土全部置換完成。

按照上述施工順序，每兩組置換混凝土的間距均小于 25m ，確保了施工的穩定性和結構的安全性。筒壁混凝土分組置換施工順序如表2所示。

5結束語

通過合理的筒壁洞口設計和科學的施工方案，可以有效提高鋼筋混凝土冷卻塔的結構性能和施工效率，確保其長期穩定運行。根據研究結果可知，當冷卻塔的洞口尺寸較小時，塔筒的最大變形和洞口的最大等效應力（尤其是角點）會顯著增大。相反，當洞口之間的距離較遠時，冷卻塔的最大變形會明顯減小。因此在施工過程中，應盡量保持洞口之間的距離最大化，以減少結構的應力集中和變形，從而提高冷卻塔的整體穩定性和安全性。

在確保冷卻塔筒壁結構完整性保持率超過 96% 前提下，即最多分2組、每組連續鑿除3塊缺陷混凝土板的情況下，筒壁洞口對整體結構的可靠性影響不大。這意味著在合理的設計和施工條件下，各工況鑿除缺陷混凝土板的作業都不會對冷卻塔的長期性能產生負面影響。

從安全性和施工效率的角度考慮，工況3是最優施工方案。采用該方案既能保證冷卻塔的結構的安全性，又能提高施工效率與工作面，確保工程順利進行。此外，對每組缺陷混凝土板進行鑿除后，應采用比原設計強度等級更高的混凝土進行澆筑，確保新舊結構連接牢固可靠。

參考文獻

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