新型钢管混凝土X支柱在空冷塔工程中的设计应用

石天琪，闫 杰，张宏飞，侯宪安，吕 兰

(1. 陕西榆林能源集团杨伙盘煤电有限公司，陕西 榆林 719316；2. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

随着空冷技术在北方富煤缺水地区大容量发电机组中的广泛应用，配套空冷塔的规模越来越大，高度越来越高，施工周期也越来越长。

在北方寒冷地区，由于冬休期的存在，客观上的拉长了整个空冷塔的施工周期。如何有效缩短整个空冷塔的施工周期是亟待解决的一个突出问题。

1 空冷塔钢筋混凝土X支柱的缺点及改进方案

目前，国内外绝大多数混凝土自然通风空冷塔通常都采用现浇钢筋混凝土X支柱。这类斜支柱具有支撑高度高、双向三维倾斜、横截面尺寸大、自重重、钢筋密集等特点，几乎均采用满堂脚手架分段现浇法施工，如图1所示。该方法施工工期长，劳动力投入多，混凝土浇筑振捣困难，脚手架安全风险大，施工安保费用高。

图1 空冷塔X支柱满堂脚手架现浇施工工艺

为了缩短施工工期及改善施工质量，土耳其某燃煤电厂曾尝试使用预制钢筋混凝土X支柱建设空冷塔，如图2所示。虽然预制方案可以省却满堂脚手架搭拆及分段现浇环节，但由于X支柱高度大，重量重，水平转运困难，只能就地预制。预制周期长，占用场地大。吊装对起吊能力提出很高的要求，其困难之大甚至掩盖了其长处。

图2 土耳其某空冷塔的预制钢筋混凝土X支柱

为了克服现浇及预制钢筋混凝土X支柱的缺点，陕西某电厂2座660 MW级自然通风直接空冷塔建设中在国内外首次采用了钢管混凝土X支柱技术。实践证明其施工速度快、施工质量高、起吊难度适中等优点，取得了显著的经济效益和社会效益。

2 钢管混凝土工作原理及统一理论

钢管混凝土可弥补两种材料各自的缺点，充分发挥二者的优点，如图3所示。

图3 钢管混凝土的优点

2.1 钢管混凝土工作原理

1)外包钢管对管内混凝土施加侧向约束，使混凝土处于三向受压的应力状态，延缓了混凝土材料纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗压强度和压缩变形能力，承载能力更好，塑性和韧性性能大为改善，抗震性比钢筋混凝土更好；2)借助管内填充的混凝土的支撑作用，增强了钢管壁的几何稳定性，改变了钢管的失稳模态，避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证钢材性能的充分发挥，提高其承载能力；3)钢管内部不配置钢筋，省却了钢筋绑扎工序，节省人工；4)在钢管混凝土施工过程中，外包钢管作为浇筑其核心混凝土的外模板，采用顶升法施工一次浇筑完成，大大简化模板及支撑体系，施工方便，降低了施工成本；5)构件横截面小，节省材料，经济性好。

由于其突出的优点，钢管混凝土已经在大型拱桥、民用超高层、特高压输电塔等领域得到广泛的应用，其基础理论、设计方法和施工工艺都已相当成熟，国内外已有多本规范标准[1-4]实施。

2.2 钢管混凝土统一理论

为了简化钢管混凝土结构的分析计算，基于其工作原理，哈尔滨工业大学的钟善桐教授于上世纪70年代提出了基于大量试验回归的“钢管混凝土统一理论”[5]，其含义是：钢管混凝土构件的性能随着物理参数、几何参数、应力状态及截面型式的改变而变化，变化是连续的、相关的和统一的。

与其他理论相比较，统一理论将钢和混凝土混合成一种“组合材料”，不再对二者进行区分，从而摒弃了内力分配或叠加的概念，研究钢管混凝土组合新材料组合性能，得到了一系列组合力学性能指标，并用这些力学性能指标来计算构件的承载力和变形，使设计工作大为简化。

3 冷却塔钢管混凝土X支柱分析与设计

3.1 总体分析

钢管混凝土主要是用作轴压和小偏心受压柱，非常贴合冷却塔斜支柱的实际受力状态。冷却塔钢管混凝土X支柱宜采用“钢管混凝土统一理论”进行内力分析。其优点是，对已有的冷却塔结构分析软件无需或稍加改造便可方便地实现钢管混凝土支柱的等代杆件输入、建模及分析计算，再根据内力分析结果对钢管混凝土X支柱进行截面设计和节点设计。

3.2 截面设计

钢管混凝土X支柱截面的设计过程如下：

1)先假定圆截面钢管混凝土支柱设计截面尺寸(直径、钢管壁厚)及材料参数(钢管管材和管内混凝土强度等级)；

2)计算支柱的等代杆件截面参数(等效直径和等效模量)和构件的N-M相关曲线；

3)利用已有的冷却塔结构分析软件进行内力分析计算；

4)在内力计算结果中提取各工况下支柱各个截面的N、M值，与N-M相关曲线比较，判断1)中假定设计的截面是否合适，根据情况修改1)中设计参数；

5)重复上述过程，直至满意跳出循环。流程如图4所示。

图4 截面设计流程图

钢管混凝土截面及其等效截面如图5所示，D为钢管混凝土柱截面外径，t为钢管厚度。等代杆件截面参数(等效直径和等效模量)计算方法如下：

图5 钢管混凝土截面及其等效截面

式中：t为钢管厚度，m；D为钢管混凝土柱截面外径，m；Dhs为组合截面换算外径，m；A为钢管混凝土柱截面面积，m2；As为截面中钢管部分的截面积，m2；Ac为截面中混凝土部分的截面积，m2；Ahs为组合截面换算截面积，m2；I为钢管混凝土柱截面惯性矩，m4；Is为截面中钢管部分的截面惯性矩，m4；Ic为截面中混凝土部分的截面惯性矩，m4；Ihs为组合截面换算截面惯性矩，m4；Es为钢材弹性模量，MPa；Ec为混凝土弹性模量，MPa；Ehs为组合截面换算截面惯性矩，m4。

由式(5)计算得到换算外径，由式(6)或式(7)计算得到换算模量，进而可以构造出一个等效的圆截面，该圆截面的轴压弹性模量以及抗弯弹性模量均与原来的钢管混凝土截面相等。

把等效圆截面杆件参数输入现有的冷却塔结构分析计算软件中，可以计算得到支柱截面内力。

根据GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》第 5.3 条 (5.3.1-4)、(5.3.1-5)、(5.3.1-6)式，计算得到钢管混凝土柱的N-M相关曲线。

把冷却塔结构分析计算软件计算得到各个工况下的支柱截面内力点(N、M)叠加到N-M相关曲线上，如图6所示。

图6 叠加各工况下内力点(N、M)后的N-M相关曲线

根据内力点分布与N-M相关曲线的位置关系就可以判断钢管混凝土柱截面设计是否安全，根据需要相应迭代调整钢管混凝土柱的截面参数。

3.3 节点设计

钢管混凝土X支柱的关键节点包括：加强型X节点、柱底连接节点和柱顶钢环梁连接节点。

国内某设计院联合高校于2016～2019年间针对混凝土间冷塔钢管混凝土X支柱应用展开理论、数值及节点试验研究，取得一系列研究成果[6]。

数值分析及节点试验对比表明，交叉点是结构的薄弱环节，应在X型钢管柱左右柱肢交叉处采用加强型X节点[7]。强型X节点由拉接板、加劲环和加劲肋组成，如图7所示。

图7 加强型X节点及其分解图

为了提高柱底连接的抗拔能力，X型钢管柱在柱底设置了连接斜筋和抗剪栓钉，以加强钢管混凝土柱与柱底支墩的连接，如图8所示。

图8 柱底连接节点示意图

本工程X型钢管柱柱顶设置了钢环梁，其主要作用包括：首先是为起吊单元提供环向支撑；其次是为塔筒施工模板系统提供起始的附着点；第三，成塔后还可以作为塔筒底部环梁的结构件，如图9所示。

图9 柱顶钢环梁连接节点示意图

4 钢管混凝土X支柱的施工

钢管混凝土X支柱的施工过程包括钢结构部件的工厂加工、现场焊接组拼起吊单元、起吊单元吊装就位、浇筑管内混凝土等过程。

4.1 钢结构部件工厂加工及现场组拼

钢管X支柱加强型交叉节点、柱顶钢环梁、柱钢管等数控切割下料及部件组焊均在工厂加工完成，用车辆运输至现场。

在现场组装胎架上把加强交叉节点、柱钢管、钢环梁等部件焊接组拼成一个完整的起吊单元。

现场焊接工作量较小，钢管柱组拼可多榀并行作业，组拼速度快。

4.2 吊装支撑就位

组拼完成的起吊单元借助大吨位履带吊实现水平转运和起竖吊装。起吊单元的支撑就位及调整通过上端生根于X交叉点底面耳板和下端生根于地面基础上的临时刚性支撑柱实现，如图10所示。刚性支撑柱可采用圆钢管，也可借用塔吊的塔身标准节等。

图10 X支柱吊装

在刚性支撑柱根部挑梁与基础顶面之间设置千斤顶，待整榀支柱的俯仰度调整就位后，塞紧垫铁并紧固螺栓，如图11所示。

图11 柱底挑梁和连接节点

采用刚性支撑柱方案可省却庞大的满樘脚手架支撑体系，施工工艺大为简化，如图12所示。

图12 钢筋混凝土X支柱和钢管混凝土X支柱的施工支撑体系对比

4.3 浇筑管内混凝土

由于把钢管作为外模板和受力部件，钢管混凝土X支柱无需绑扎钢筋，采用泵送顶升法浇筑施工工艺，如图13所示。免支模，免拆模，免分段浇筑，免振捣，简化了施工工艺，工作效率大幅提高。

图13 顶升法示意图

5 工程实践

在大型工业冷却塔结构中采用钢管混凝土斜支柱不仅可以缩短施工工期，还可以降低整塔土建造价(可达10%以上)。

钢管混凝土斜支柱冷却塔技术为世界首创，已获多项专利授权[8-10]，并首先在陕西某煤电一体化2×660 MW电厂项目中应用，建设完成了世界首例钢管混凝土X支柱冷却塔(塔高188 m，进风高度29.6 m，38榀X支柱)。

采用钢管混凝土X支柱后，与预制方案相比，起吊重量由预制混凝土X支柱方案的数百吨降低为约55 t；与现浇方案相比，无满堂脚手架的高空搭拆作业环节，节省人工500～600人月/塔；工期由3～4个月缩短为约50 d，效率提高40%以上。

该工程1#和2#冷却塔已于2021年11月上旬和下旬先后施工完成，和里程碑节点相比分别提前了1.5个月和5个月，创造了同规模冷却塔斜支柱的施工记录，节约施工措施费约30%。

6 结论

与传统钢筋混凝土斜支柱冷却塔相比，钢管混凝土斜支柱技术具有以下优点：

1) 钢管混凝土斜支柱具有更为优良的力学性能，斜支柱承载能力更好，塑性和韧性性能大为改善，承载能力和抗震性能比钢筋混凝土更好，横截面小，节省材料，性价比更高。

2) 采用钢管混凝土技术后，X支柱施工工期由3～4个月缩短为约50 d，大幅降低了施工措施费。

3) 钢结构加工制作采用工厂化加工+现场组拼模式。可并行交叉作业，组拼速度快。斜支柱无需绑扎钢筋、免支模、免拆模、混凝土一次浇筑到顶，简化了施工工艺，工作效率更高。

4) 由于钢横截面积小，混凝土用量可节省40%以上。无需定型和异型模板，节约建筑资源，综合造价可降低20%～30%。

5) 采用钢结构柱整体吊装及管内混凝土泵送顶升一次到顶等施工方案，避免了庞大的钢管脚手架的搭拆高空作业环节，节省人工的同时降低了施工风险。

6) 工厂化加工及现场整体吊装方案人为干扰因素少，施工精度高，外型美观，提高了工程质量和安全性。

综上，本技术的采用可大幅缩短施工工期，提高作业效率，降低工程造价，经济效益和社会效益显著，具有较高的推广价值。