冷却塔外伸刚性环施工三角架结构有限元分析

赵小童， 胡宗军， 张卫星

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国能源建设集团安徽电力建设第二工程公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

双曲线冷却塔是火力和核力发电中使用的超大型冷却设备，其施工方法和安全性是冷却塔建造过程中的重难点，引发了学者广泛的分析和研究。竺召炜[1]探讨了三种冷却塔施工方法的优缺点。张卫东等[2]针对实际工程中外伸刚性环施工三角架支撑体系刚度不足的问题，提出可靠的整体加固方案。张厚先等[3]探讨了施工过程中不同施工工况对支撑桁架稳定性的影响。胡婷等[4]对冷却塔环梁处的施工桁架结构进行分析并加以优化。徐亮等[5]对环梁及X柱分段现浇过程中两种施工支架结构搭设方案进行分析，得出环形满堂式结构更为合理。刘东华[6]对冷却塔外伸刚性环进行分析，指出在刚性布置合理的情况下，其厚度与宽度到达一定程度后，冷却塔的屈曲因子将不再随之增加而增加。

目前冷却塔建设中常用的施工方法为三角架翻模施工法，具有操作简单、模板拼缝少、工期短、成本低、施工质量容易控制等优点[7-9]。当施工至冷却塔塔顶外伸刚性环处，三角架承受的荷载显著增大，其施工支架安全问题尤为突出。“11·24”江西丰城电厂冷却塔施工平台倒塌事故更是为冷却塔安全施工敲响了警钟[10-12]。

本文以某双曲线冷却塔外伸刚性环浇筑为例，使用有限元法分析了三种三角支撑结构的加固方案。如图1所示，完整的一榀三脚架是由内侧和外侧两部分三脚架组成的，其中，内侧三角架主要支撑装载混凝土的小车及施工人员，外侧三角架主要承担刚性环的自重。每层三角架外侧由脚手管相连，起传递荷载和增加稳定性的作用。

1 模型建立

外伸刚性环施工时混凝土浇筑及钢筋重量主要由筒壁外侧上层三角架承担，并通过外端脚手管传导至下方三角架。但外端脚手管无法有效缓解上层三角架的应力。有限元计算结果表明，在本工程外伸刚性环施工时，筒壁外侧三角架最大拉弯组合应力为366.8 MPa，位于三角架顶端水平杆中部，远超Q235钢材的设计值205 MPa；顶端水平杆最大位移为9.28 mm，超过许用位移5 mm。结构强度和刚度均不满足要求，现拟定三种加固方案。

1.1 施工方案

1.1.1 方案1

方案1采用与脚手管截面相同的杆件作为附加传力杆件，与三角架中的水平杆相连，将上下3层连为整体。为了确定附加竖杆在三角架中最佳加固位置区域，本方案根据附加传力杆件与筒壁处竖向杆之间的距离x选取了13个加固位置，如图2所示。

图2 方案1加固杆件位置变化示意图

1.1.2 方案2

方案2采用与脚手管截面相同的杆件作为附加斜向传力杆件，其底端抵住筒壁处竖向杆，与第二层的竖向杆、水平杆和第一层水平杆相连，使结构成为整体。根据斜向传力杆件与第一层水平杆的连接位置分为两个工况：①工况1，斜向传力杆件与第一层水平杆最外端相连接；②工况2，斜向传力杆件与第一层水平杆中部相连接，如图3所示。

图3 方案2斜向力杆位置变化

1.1.3 方案3

方案3更换施工顺序，附加承力钢丝绳。原施工步骤为：①建造外伸刚性环；②待外伸刚性环混凝土达到强度要求后，在筒壁处浇筑塔顶女儿墙。更改施工顺序后的施工步骤为：①浇筑刚性环外伸总长度一半和女儿墙，在女儿墙内预埋拉索；②待强度达到要求后，将预埋拉索与外侧三角架上层水平杆中部连接，浇筑剩余刚性环，如图4所示。

图4 方案3加固方案示意图

1.2 有限元建模计算

三角架支撑体系是围绕冷却塔筒壁的圆周对称结构，因此可利用MIDAS Civil有限元软件对一榀三脚架进行建立3种加固方案的数值模型，共2 871个单元，1 463个节点，分多个施工步进行计算其力学特性。该有限元模型采用梁单元来模拟水平杆、竖向杆、斜撑杆和脚手管，主要材料为Q235钢。模型中整体坐标系为空间直角坐标系，原点位于三角架底端，x轴沿筒壁切线方向，y轴沿筒壁径向，z轴沿竖直方向。由于相邻两榀三角架之间以环向脚手管在水平杆外端点处进行连接，故在模型相应位置处约束x方向位移。竖向杆与模板之间以围檩相隔，在模型相应位置处约束y方向位移。对拉螺杆经预埋管穿过筒壁连接内外两侧三角架，模型中约束对拉螺杆x、z方向位移。水平杆、竖向杆、斜撑、对拉螺杆之间以螺栓进行连接，脚手管及附加杆件与三角架结构以扣件进行连接，因此模型中各个杆件相交节点采用铰接的方式进行连接。

在刚性环施工过程中，整个三角架所承受的荷载为刚性环的自重、内侧小车和施工荷载等。将刚性环的自重等效为线荷载，小车、施工人员、钢模板、吊架等效为节点荷载。按照安全要求，对刚性环自重施加了1.1倍的冲击系数和1.2倍的荷载分项系数，其他荷载施加了1.2倍的荷载分项系数。

2 计算分析

2.1 方案1计算分析

图5为附加杆件和筒壁竖向杆之间距离x=0 mm(未加固状态)和700 mm时，外侧三角架结构拉弯组合应力、位移计算结果。图6为随附加杆件和筒壁竖向杆之间距离x变化，外侧三脚架水平杆、竖向杆的最大拉弯组合应力、位移及附加杆件轴力变化曲线。

图5 方案1外侧结构代表工况计算应力、位移变化云图

图6 方案1各构件拉弯组合应力、位移、轴力随距离x变化曲线图

未加固状态下，外侧三角架上层水平杆中部并未与其他杆件进行连接，强度和刚度不足，水平杆中点处应力和位移最大。从图5中各个杆件的最大拉弯组合应力、位移、轴力变化趋势可知，附加传力杆件可将荷载有效传递至整个三角架结构中。当附加传力杆件位于水平杆中部，即x=700 mm时，外侧三角架上下3层水平杆位移相近且上层水平杆位移最小，结构最大拉弯组合应力、位移最小，外伸刚性环施工荷载均匀分配到3层三脚架上，刚性环一侧应用附加传力杆加固的3层三角架支撑结构整体性能最好。

2.2 方案2计算分析

方案2种的工况1为部分冷却塔建造工程项目中外伸刚性环施工时三角架支撑结构常用的加固布置方案，工况2是将斜向传力杆件与上层水平杆中点处(方案1最优位置)相连。两种方案外侧三脚架的拉弯组合应力和位移结果如图7所示，可以发现两种工况均可增强上、中2层三脚架的整体强度和刚度，缓解上层水平杆应力和位移。

图7 方案2各工况计算应力、位移变化云图

比较工况1与未加固状态下的三脚架的应力和位移结果可知，附加斜向杆件可以有效降低斜撑杆的应力，但无法有效降低上层水平杆的应力及位移；工况2中斜向传力杆与上层水平杆中点相连的方案能够有效降低上层水平杆应力及位移。与方案1的最优结果相比，工况2中刚性环一侧拉弯组合应力及位移较小，其对增加外伸刚性环施工过程中底部三角架支撑结构强度及刚度优于加固方案1。

2.3 方案3计算分析

图8为更改施工顺序后不同施工阶段外侧三脚架的拉弯组合应力和位移云图。由图8可知，最危险状态为施工阶段2，即刚性环后半段混凝土浇筑时。此时施工阶段1浇筑的女儿墙及前半段刚性环已达强度要求，三角架上层水平杆发生较小位移。预埋拉索一端连接女儿墙，另一端连接外侧三角架上层水平杆，将刚性环后半段施工荷载传导至女儿墙处。由图8可知，拉索可以有效降低施工阶段2处后半段刚性环施工荷载对三角架上层水平杆的不利影响，但该方案改变施工顺序，使得施工过程过于复杂。

图8 方案3个各工况计算应力、位移变化云图

3 结果分析

将上述三种方案中外侧三角架最大拉弯组合应力及位移计算结果加以汇总，见表1。

表1 三种加固方案最优工况的应力、位移数据

由表1可知：

(1) 应力方面，三种方案均可有效降低上层水平杆拉弯组合应力，其中无论是竖向杆还是水平杆，方案2对于拉弯组合应力的改善效果优于另外两种方案。

(2) 位移方面，因方案2中附加斜向传力杆件下端抵住已达强度标准的冷却塔筒壁处，使得该方案外侧三角架杆件位移降低明显优于其他方案。

(3) 施工难度方面，方案1、2均将附加传力杆件以扣件连接的形式搭外侧三角架杆件，但方案1需搭接上下3层水平杆，而方案2仅在前2层进行斜向施工，方案2操作难度与方案1相比有所减弱，而方案3则更改施工顺序，并将刚性环分为两部分进行施工，致使施工难度加大，施工人员需重新规划施工方案，易造成工期延长。因此，三种加固方案中，无论从外侧三角架各类杆件的拉弯组合应力、位移改善情况，还是从施工难度进行分析，加固方案2优于其余两种方案。

4 结 论

本文通过有限元软件对双曲线冷却塔外伸刚性环施工支撑体系进行加固分析，提出3种加固方案以提高结构的刚度和强度，保证施工安全。主要结论如下：

(1) 在外伸刚性环施工时，三角架支撑体系所承受荷载较筒壁施工时所承受荷载相对偏大，导致三角架上层水平杆应力过大，应进行相应的结构加固，加强三角架结构的整体性。

(2) 根据方案1中13种三角架加固设计结构的有限元分析结果，得出在附加杆件和筒壁竖向杆之间的距离为7 00 mm时，结构整体性能最优。

(3) 当附加杆件和预埋拉索与三角架上层水平杆连接点位置相同时，综合比较了三种加固方案的有限元分析结果，发现刚性环一侧三角支撑架结构在方案1中位移较大，在方案3中拉弯组合应力略大。从施工角度分析，方案1与方案2施工难度基本相同，方案1较方案2耗材较多，而方案3更改了施工顺序，增加了施工难度，综合考虑，方案2中工况2的加固措施优于其他方案，即利用斜向传力杆与上层水平杆中部相连，将刚性环施工荷载传递至筒壁处方案最优。