冷却塔塔筒子午向钢筋布置

陈斌，王小松

(重庆交通大学桥梁系，重庆市400074)

0 引言

双曲线自然通风冷却塔是火力发电厂循环水系统中应用最广的冷却设施，无论是湿冷塔，还是空冷塔，一般都由通风筒、人字柱、环基、淋水装置和塔心材料组成［1］。塔筒作为冷却塔土建工程中的主要结构，其设计和优化问题愈来愈受各方的重视。目前，关于塔筒受力和选型等方面都取得了一些好的研究成果［2-3］;配筋设计方面，尤其是塔筒子午向的钢筋布置，计算过程比较复杂，但对其研究却相对较少。合理的钢筋分布不仅能增强结构的受力安全与稳定性，而且对减少工程造价也有及其重要的作用［4］。本文根据冷却塔塔筒子午向钢筋的布置特点，提出其配筋迭代计算方法，并给出计算程序。

1 塔筒子午向配筋设计难点

塔筒是高耸薄壳型结构，其结构形式各异，尺寸大小不一，即使是同一项目的2座结构形式相同的冷却塔，受力大小也有很大差异［5］。塔筒的配筋设计不可能像桥梁工程那样有诸多标准化设计可循，现场施工一般是按模板高度分层立模浇筑［6-7］，子午向钢筋布置需要考虑上、下层模板间钢筋的搭接问题。

现行规范 DL/T 5339—2006［8］要求子午向受力钢筋应在接头位置相互错开，并且在任一搭接长度区段内，有接头的受力钢筋截面积应占受力钢筋总截面面积的1/3。若将3根钢筋编为1组，按照高、中、低的方式错层排列，中间各层模板的每组钢筋有2根钢筋都来源于下层模板。下层模板的布筋形式会很大程度地影响上层模板的钢筋分布，如图1所示。

根据塔筒的受力特点，喉部以下模板的钢筋布置呈现自下而上钢筋根数不断减少，钢筋直径不断变细的趋势，喉部以上模板的钢筋布置形式正好相反，自下而上配筋量逐渐增多。考虑钢筋的平顺搭接，一般钢筋直径的增减量不会超过二级，根数变化量也只有1根。如此狭隘的调节条件很大程度地造成当前层模板的配筋不能同时满足受力和构造要求。

图1 塔筒子午向布筋特点Fig.1 Arrangement characteristic of meridian reinforcement in cooling tower

若只考虑某个单个因素，正如文献［9］采用不改变钢筋根数，只改变钢筋直径的布筋方式，虽然可以消除钢筋根数增加或减少造成的搭接不顺畅和对塔筒局部受力不利等影响，但是却带来了2个新的问题。一方面加大了钢筋的搭接工作，施工速度会受到制约;另一方面，对于特大型冷却塔，下环梁与喉部的弧长相差很大，喉部附近的数层模板钢筋间距会变得很小，甚至不满足规范规定的间距要求。而且，钢筋间距过小会造成混凝土浇筑不便，无法安置预埋件等施工困难。

综合看来，塔筒子午向配筋需要解决两大难题，即配筋量满足要求和模板间平顺搭接。

2 迭代计算过程

钢筋根数的增减一般是要求在1对支柱之间的弧长段即1榀弧长内实现。因此，本文所述的塔筒子午向钢筋布置都是指1榀弧长段li的布筋量。配筋计算时，首先可以很容易求出下环梁的钢筋，再将其分成高、中、低3组，其中高、中2组将作为中间层模板配筋的不变组，低组钢筋将作为可变组，中间层模板的配筋计算只需确定可变组的布筋形式即可。需要满足的条件主要来自2个方面，一方面是当前模板的配筋量和构造要求，另一方面是后续模板的配筋量和构造要求。对于后者，只会在后续模板布筋形式不满足要求而进行迭代计算时才会出现。最后，自下而上逐层计算，确定各层模板布筋满足要求，计算流程如图2所示。

图2 中:Asi，As，A's分别为理论配筋总量、可变组理论配筋量、可变组实际配筋量，其中，Asi可根据混凝土结构设计规范［10］中各种受力构件的计算理论得到分别为高、中2个不变组的钢筋根数和直径;n'、d(g')、n、d(g)分别为可变组钢筋根数和直径的计算过程值与终值;Sn1、Sn2、S'n、Sn分别为最小、最大钢筋间距和钢筋间距计算过程值与终值;nr为后续模板对当前模板的配筋要求，－1表示需要减少当前模板钢筋根数，1表示需要增加当前模板钢筋根数;cr为当前模板配筋校核结果，－1表示需要减少下层模板钢筋根数，0表示当前模板满足配筋要求，1表示需要增加下层模板钢筋根数，2表示需要增加下层模板配筋量;ls1、cs1为下层模板与当前层模板最大配筋量状态，T代表达到最大配筋量，F代表未达到;ls2、cs2为下层模板与当前层模板钢筋根数可增状态，T代表钢筋根数可增，F代表不可增;ls3、cs3为下层模板与当前层模板钢筋根数可减状态，T代表钢筋根数可减，F代表不可减。

2.1 根数优先原则

钢筋根数和直径的改变都能调整钢筋用量，但根数的变化还能调整钢筋间距，因此优先确定钢筋根数是解决子午向配筋两大难点的关键，具体表现在以下2个方面。一方面，当需要减少配筋时，根数与直径不能同时减量，若二选一的减量方式都能满足要求时，显然降低钢筋直径等级的减量方式更加经济，但后续模板可能因为当前层减筋量过大，不能再减少钢筋而影响其构造要求。另一方面，当需要增大配筋时，优先增加钢筋根数在满足配筋量要求后就不用再增加钢筋直径，既能实现钢筋布置平稳过渡，也相比直接增加钢筋直径更经济。

2.2 后续模板要求

可变组的钢筋根数一般只有1根调节量，这就很难保证仅通过本层模板的调节来满足要求，此时，就需要重新调整下层模板的布筋形式。如图3所示，当需要增加1根钢筋才能满足后续模板间距要求时，可以在满足本层模板间距要求的情况下增加1根;当需要减少1根钢筋时，就必须用增大钢筋直径来弥补。

图3 后续模板要求流程Fig.3 Flow chart of subsequent template requirement

2.3 配筋校核

在确定可变组的钢筋具体布置形式后，需要判断是否满足配筋量和构造要求。当不满足时，只能在下层模板配筋状态可调时，重新确定下层模板的布筋形式来尽可能满足当前模板的要求。如图4所示，当配筋量过少时，将下层模板的理论配筋量变为本次计算时当前模板所能达到的最大配筋量，那么在进行第2次计算时，当前模板的配筋量就会有进一步的增长空间。如此反复，只要配筋量没有超过最大配筋量就总能保证本层模板配筋量的要求。

图4 配筋校核流程Fig.4 Flow chart of checking reinforcement

2.4 可调状态

完成当前模板配筋后，为了给后续模板配筋提供依据，需要计算出当前模板布筋形式的可调状态。具体表现在3个方面:钢筋量可增cs1、钢筋根数可增cs2、钢筋根数可减cs3。对于根数可减的情况，为了不减少钢筋量，则需要同时满足钢筋直径可增的条件。图5为可调状态流程。

图5 可调状态流程Fig.5 Flow chart of adjustment status

3 算例分析

按照上述计算过程，编制了塔筒子午向配筋程序SMS。以某工程为例，对其冷却塔的塔筒子午向配筋进行计算，并分析计算结果。该冷却塔的主要参数为:塔筒模板数为120节，下环梁标高为14.001m，半径为65.814m;喉部标高为142.786m，半径为39.325m;刚性环标高为 191.000m，半径为41.390m。

先设定 Sn1=180 mm，Sn2=200 mm，使得采用SMS和文献［9］这2种方式在下环梁处有相同的布筋结果，后续模板计算时，将钢筋根数调整方式设定为不可变即转换为文献［9］的布筋方式。2种方式的子午向外壁部分模板布筋结果如表1所示。

从表1可以看出，SMS方式和文献［9］方式的布筋结果明显不同，SMS布筋方式自下而上呈明显的先减后增的趋势，而文献［9］方式在1到17块模板间呈显著的递减趋势，从17到59块模板间递减速度趋于平缓，59块模板以后布筋量不再改变。尤其是在喉部处，文献［9］方式与SMS方式相比多用了近一半的钢筋，显然是不经济的。

4 结语

通过分析冷却塔子午向钢筋的布置特点，提出迭代计算方法，并结合其他算法，对某冷却塔工程配筋计算结果进行对比分析后，得出以下结论:

(1)塔筒子午向钢筋不仅要满足承载能力和裂缝验算要求，还需要综合考虑模板间钢筋平顺搭接的问题，布筋计算是一个迭代过程。

(2)按照高、中、低的方式错层排列，在综合考虑钢筋根数、直径、搭接及便于施工等因素后，认为以优先调整钢筋根数的布筋结果具有经济合理，过渡平顺，便于施工的优点。

(3)迭代思想的核心在于通过调整前排模板的布筋形式来尽可能地满足当前模板的配筋要求，诸如烟囱、水塔等高耸建筑结构的钢筋布置计算也可采用该思想。

(4)一般来说，要强制将某层模板的布筋结果设定为固定的形式是不太现实的，但可以事先修正该层模板的理论配筋总量Asi来实现人工调整的需求。

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