大型双曲线冷却塔斜支柱及下环梁的施工

上海电力建筑工程公司 上海 200437

0 前言

双曲线冷却塔是大型火电站和核电站的重要组成部分，主要用于冷却循环水。冷却塔直径和高度尺寸随电站设计要求呈现各异[1]，主要由环形基础、斜支柱、通风筒、集水池和淋水构件组成。其斜支柱在空间中呈双向倾斜，施工难度与质量控制标准是整个工程之最[2,3]；另外，斜支柱是基础和通风筒的过渡承接结构，“斜支柱—下环梁”施工质量优劣直接关系到整个工程的质量、技术性能和经济效益[4]。

双曲线冷却塔示意如图1所示。

图1 双曲线冷却塔

1 斜支柱与环梁概况

1.1 斜支柱概况

斜支柱为通风筒的支撑结构，主要承受上部结构自重、侧向风荷载和温度变化引起的应力，属于重要构件。斜支柱在空间呈双向倾斜，倾角大致在70°左右，其几何形状主要是V字形、I字形和X字形柱，截面通常有圆形、矩形、八边形等。

1.2 下环梁概况

下环梁位于双曲线通风筒的底部，相当于刚性环梁，一方面用于增强斜支柱空间结构的稳定，另一方面用于承受上部结构自重引起的竖向荷载和环向水平荷载。环梁截面一般呈梯形，下底宽度比斜支柱的截面直径或截面长度长，向通风筒内倾斜。

1.3 斜支柱—下环梁体系现浇工艺设计特点[5,6]

塔身主体的施工顺序一般为：环形基础→支墩与斜支柱→下环梁→通风筒→上环梁。由于通风筒和上环梁施工一般采用悬挂式脚手架工艺或是爬模工艺施工，均搭设在已现浇好的混凝土结构上，不需要专门竖向辅助支撑；而斜支柱和下环梁现浇均需要考虑搭设竖向辅助支撑结构。传统现浇施工工艺，斜支柱—下环梁体系考虑满堂脚手（排架）支撑方式，但这种工艺空间制模定位困难、劳动力密集、高空作业多、工期长以及质量、安全不可控等现象。

2 斜支柱模具研发与运用

2.1 现浇施工难点

（a）斜支柱较长，模板和支撑均需要从基础顶面开始，高支模对支撑体系的形变和稳定性难以精确把握。

（b）斜支柱双向倾斜，对支撑体系要求有足够的强度、刚度和稳定性以承受竖向荷载和水平荷载的要求。

（c）斜支柱现浇混凝土的自由落差需控制，斜支柱需连续现浇以确保无施工冷缝，且需选用分段合模，对模具在施工中能快速、精准的拼接制作要高。

（d）双曲线冷却塔斜支柱空间分布宽，需要的模具和支撑体系多，模具与支撑体系的增多必然带来工作量、成本、安全风险的增大。

因此，需要研发一种机械化程度高、可整体移动周转使用的工具。

2.2 模板与支撑体系研发

为了解决上述难题，我公司前几年成功研发了人字柱小车模具（图2、图3）。通过重复的优化和实验，首先，控制了模具在施工工况下的变形不确定问题；其次，控制了结构构件的应力，使小车模具在弹性变形范围内，可循环使用；再次，达到了整体性强、高空拼装作用少、机械化程度高的要求。人字柱小车模具通过国内多个权威机构高度评价和认证，在国内外尚属首创。

2.3 人字柱施工工艺流程

人字柱定位放线→人字柱小车拼装→人字柱小车定位→人字柱下模板系统吊装→人字柱下模板系统安装→人字柱小车定位校核→人字柱钢筋笼吊装→人字柱上模板安装与混凝土浇筑→养护→人字柱上模板拆除→人字柱下模板拆除→人字柱小车移除

图2 人字柱小车模具

图3 人字柱小车施工实景

3 斜支柱—下环梁体系一体化现浇工艺探索

3. 1 工艺路线

下环梁施工时，斜支柱已经具有一定强度和刚度，而且相比通风筒和上环梁的自身质量，施工下环梁时的施工荷载远远小于两者自重，利用斜支柱作为下环梁施工支撑体系的一部分是合理的。 接下来研究了取消格构柱、利用已浇筑的斜支柱，通过大量计算，采用在人字柱底部增加支撑的方法，解决人字柱受力变形；在人字柱上口预埋搁置点，搁置桁架（图4）。

3.2 工艺关键技术分析

根据冷却塔工程特点和本施工工艺的难点分析，确定以下3 个方面为严格控制要点：斜支柱形变控制、支撑与斜支柱混凝土连接点处理、支撑施工控制。

（a）由于各种施工因素的影响，会导致斜支柱发生偏差，为了确保结构变形在警戒值内，必须根据施工工况与工艺特点进行预起拱，从而及时消除施工偏差和各种施工荷载影响。

图4 环梁无排架施工工艺

（b）支撑连接点的设计是为保证埋件点混凝土不破坏、浇筑时不漏浆、埋件可重复利用。为解决上述难点，采用了进口的可装卸式高强度埋件，可重复利用并大大减小了埋件尺寸。埋件的空间布置则经过反复实验，以求达到埋件受力均衡与协调，防止埋件组中出现个别埋件应力集中而导致周围混凝土破坏（图5）。

图5 某次实验中埋件布置不合理致破坏

（c）支撑施工需要很强的技术性，因为无论是在支撑加工制作还是施工场地方面都存在其偏差，且斜支柱的刚度远远大于支撑的刚度，很难满足同刚度协调变形的要求。因此，支撑需要达到预计的承载力来分担设计效果，在实际安装时加一定的预支撑力，消除上述因素的影响。另一方面，混凝土强度与龄期有关，即斜支柱的刚度与时间因数相关，且混凝土短期的刚度计算存在一定瑕疵，很难精确地反应实际刚度。综上两方面的因素，必须通过反复实验，得到合理的预加支撑力。

3.3 工艺总结

该工艺的成功实践运用，实现了工具式排架与临时支撑“合二为一”的设想，大大减少了格构柱运输成本高的特点，但还是存在一些值得反思的问题，如斜支柱的刚度相当大，而且在实测中施工荷载所产生的附加应力很小，是否可以通过适当的方法进一步发挥斜支柱作为施工支撑辅助作用。

4 总结与展望

（a）本文所论述的工艺通过工程实践表明其具有安装方便、程序化施工、进度快、低劳动力需求以及高人性化设施的特点，打破了常规冷却塔人字柱、下环梁现浇采用排架进行支撑的方式。

（b）目前工程设计的双曲线冷却塔，其斜支柱的类型、倾斜角度、柱长度、截面大小和配筋率等参数都是不同的[7,8]。因此通过大量的计算、试验数据认为现浇斜支柱模板拆除时是否需要支撑，很大程度上取决于拆模后的混凝土结构形变量、裂缝宽度的控制。在设计与施工中建立构件的参数警戒值，应优于按构件的类型区分的施工规定。

（c）总结前阶段的研究成果，我们认为斜支柱—下环梁体系现浇无支撑施工工艺是下一步无排架体系发展的方向。下阶段的任务是与设计配合，充分利用环向桁架在安装完成后所形成一定的环向刚度，作为环向支撑，则斜支柱可从悬挑结构转化到整体性很好的结构，因此可以大大减小斜支柱的挠度。或者，可改变支墩形式，加强斜支柱在施工时的薄弱部位，达到满足变形要求。