冷却塔环梁施工桁架结构有限元分析

胡婷，田永祥，朱远江，闫玉萍，李伟

(1.郑州科润机电工程有限公司，郑州 450015； 2.东北电业管理局烟塔工程公司，辽宁 锦州 121000)

1 冷却塔环梁施工桁架结构概况

冷却塔是火力发电厂、核电站循环水的冷却设备，多为自然通风双曲线型钢筋混凝土现浇结构。环梁是冷却塔结构受力的关键部位之一，传承着整个筒壁的载荷和稳定，其施工作业多为流水交叉作业，属于高处作业，在此处施工，施工机械机具投放量大，工艺质量要求高，此处是施工中的难点和重点。附着式支撑桁架作为环梁混凝土施工的支撑体系，它是环梁的一种施工方式。附着式支撑桁架固定在人字柱的上端，每组人字柱上有一榀，每榀桁架是由呈矩形布置的4根横梁及连接4根横梁的多根直拉杆和斜拉杆及内腹杆构成，每榀桁架的两侧分别连接多个三角架系统，相邻两榀桁架之间分别通过连接板连接以构成1圈桁架，沿圆周均布在冷却塔环梁底部，冷却塔附着式支撑桁架如图1所示。

图1 冷却塔附着式支撑桁架

由于施工桁架结构复杂，超静定次数高，所受荷载种类繁多，手算过程比较繁琐，若计算过度简化会导致计算结果出现较大的偏差，因此，本文采用有限元软件对桁架主结构进行了强度分析计算，根据其计算结果对桁架进行优化，并向施工单位提出合理化建议。

2 荷载分解计算

冷却塔环梁在施工过程中的荷载及作用方向见表1，其作用位置及方向如图2所示(图中，G为重力)。

图2 桁架荷载作用位置示意图

表1 桁架结构的荷载

依据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》和《建筑施工手册》第4版的规定：“冷却塔环梁结构为临时性设置，不考虑风载荷”。

荷载的组合：振捣产生的水平荷载与倾倒混凝土时产生的水平荷载不同时出现，只取其一与施工活荷载组合成标准值。经过计算，振捣混凝土与倾倒混凝土产生的荷载相同，因此，任取其一。

由于作用于桁架的荷载比较多，因此，有必要对其荷载进行分解(如图2所示)，施加在桁架和三角架系统上荷载分解具体计算过程如下。

(1)Fs=①+②+③。将这些荷载分解到沿桁架上平面垂直向下的载荷Fsy和平行桁架上平面的荷载Fsz。将Fsy平均分解到桁架上平面的2个横梁上，将Fsz平均分解到内侧模板的上、下两端。

(2)Fj=④+⑤。将这些荷载转化为集中力，分别施加到内外侧的三角架水平杆的中点上。

(3)Fd=⑥。将此荷载分解到底面模板的左右两端，其载荷为Fd/2，此时该荷载将作用在垂直于桁架上平面的2根横梁上。

通过以上计算，可得出作用于垂直内侧模板上端的总荷载Fz，如图3所示。将Fz转化为斜撑力F和垂直于桁架上平面内侧横梁向上的荷载F12，此时3个荷载组成一个封闭的三角形，由此计算可得

F=Fz/cosα，F12=Fz/tan(90°-α) 。

图3 桁架荷载计算示意图

综上所述，最终作用在桁架和三角架系统上的荷载施加位置、方向如图4所示。

图4 桁架荷载施加几何示意图

3 施工桁架结构有限元分析

3.1 计算模型

桁架有限元模型原点位于桁架下平面中间直杆的中点，z轴正向为平行于下平面指向外侧横梁，y轴正向垂直于下平面向上，由右手坐标系确定x轴正向。

3.1.1 计算模型的取值范围

在建立计算模型时，可考虑其中一榀桁架，以各个型钢的形心轴线建立模型。桁架和三角架所有杆件均采用BEAM188单元，网格单元长度为100 mm，模型计算网格如图5所示。

图5 整体有限元网格模型

3.1.2 边界条件

上下横梁左侧与人字柱接触点处的x，y，z向；上下横梁右侧与人字柱接触点处的y，z向；上下横梁两端处对称约束；内外侧三角架的两端处对称约束。

3.1.3 荷载施加

桁架模型荷载施加示意图如图6所示。

图6 模型荷载加载示意图

3.2 计算成果分析

计算结果如图7～图9所示，在图7～图9中，应力单位均为MPa，轴应力拉为正，压为负。

图7 整体复合应力分布

图8 上平面复合应力分布

图9 整体轴向应力分布

根据GB 50017—2013《钢结构设计规范》的规定，由于钢材采用Q235钢，且厚度小于16 mm，因此，其钢材应力设计值σ=215 MPa。

由图8可以看出应力结果，较大应力值为275 MPa，位于上平面靠近两人字柱侧的腹杆上，此处是桁架约束的地方，从整体上看，有限元模型与模拟是合理的。

经过进一步分析可知，出现较大应力值是由于腹杆杆端之间拉开距离所致，从而增加了附加弯曲应力，因此为了降低此处应力值，调整桁架上平面人字柱附近腹杆，使杆件中心线交于一点并调整腹杆规格，计算结果如下。

3.3 优化后计算成果分析

在图10～图12中，应力单位为MPa。从图10～图12可以看出，经过优化后，桁架结构整体受力状况得到了改善，应力最大值有所降低。其中应力最大值转移到内侧横梁上，从图12中可以看出，最大值只是比较小的范围，是应力集中的表现，其他部分应力分布比较均匀，符合规范要求，说明优化方案较为合理。

图10 整体复合应力分布

图11 上平面复合应力分布

4 结论

(1)在实际工程施工中，应尽量减小各腹杆与主梁相交处杆端之间的距离，使其中心线尽量交于一点，以减小杆端弯矩，降低应力水平。

(2)由于桁架主梁与人字柱接触处的上下翼缘应力较大，应加强与人字柱接触处的桁架主梁。

(3)应尽量保证桁架内外平面与人字柱接触处有直腹杆，以确保均衡传力。

(4)倾倒混凝土和振捣混凝土不能同时进行，在实际施工中应严格控制。

(5)有限元分析可直观地给出各杆件的受力状态，有效地避免了结构受力的不利因素而产生应力集中，确保了结构杆件安全。环梁施工桁架的优化方案已经用于实际施工中，在使用过程中，桁架受力状态良好，安全可靠。

参考文献：

[1]JGJ 162—2008 建筑施工模板安全技术规范[S].

[2]建筑施工手册编委会. 建筑施工手册 [M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].

[4]刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程:机械篇[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[5]潘雯瑞，任建兴，翁建华，等.300 MW火电厂循环水冷却塔模化与空气动力特性计算[J].华电技术，2011，33(3):16-19.

[6]杨学军，赖喜德.一种循环水冷却塔系统余压余能利用的方法[J].华电技术，2009，31(12):69-70.

[7]曹伟，王玉怀，车富生，等.冷却塔冷却效率低的原因分析及处理[J].华电技术，2009，31(9):65-66.