冷卻塔環(huán)梁施工桁架結(jié)構(gòu)有限元分析

胡婷，田永祥，朱遠(yuǎn)江，閆玉萍，李偉

(1.鄭州科潤(rùn)機(jī)電工程有限公司，鄭州 450015； 2.東北電業(yè)管理局煙塔工程公司，遼寧 錦州 121000)

1 冷卻塔環(huán)梁施工桁架結(jié)構(gòu)概況

冷卻塔是火力發(fā)電廠(chǎng)、核電站循環(huán)水的冷卻設(shè)備，多為自然通風(fēng)雙曲線(xiàn)型鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。環(huán)梁是冷卻塔結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位之一，傳承著整個(gè)筒壁的載荷和穩(wěn)定，其施工作業(yè)多為流水交叉作業(yè)，屬于高處作業(yè)，在此處施工，施工機(jī)械機(jī)具投放量大，工藝質(zhì)量要求高，此處是施工中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。附著式支撐桁架作為環(huán)梁混凝土施工的支撐體系，它是環(huán)梁的一種施工方式。附著式支撐桁架固定在人字柱的上端，每組人字柱上有一榀，每榀桁架是由呈矩形布置的4根橫梁及連接4根橫梁的多根直拉桿和斜拉桿及內(nèi)腹桿構(gòu)成，每榀桁架的兩側(cè)分別連接多個(gè)三角架系統(tǒng)，相鄰兩榀桁架之間分別通過(guò)連接板連接以構(gòu)成1圈桁架，沿圓周均布在冷卻塔環(huán)梁底部，冷卻塔附著式支撐桁架如圖1所示。

圖1 冷卻塔附著式支撐桁架

由于施工桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超靜定次數(shù)高，所受荷載種類(lèi)繁多，手算過(guò)程比較繁瑣，若計(jì)算過(guò)度簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，因此，本文采用有限元軟件對(duì)桁架主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析計(jì)算，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果對(duì)桁架進(jìn)行優(yōu)化，并向施工單位提出合理化建議。

2 荷載分解計(jì)算

冷卻塔環(huán)梁在施工過(guò)程中的荷載及作用方向見(jiàn)表1，其作用位置及方向如圖2所示(圖中，G為重力)。

圖2 桁架荷載作用位置示意圖

表1 桁架結(jié)構(gòu)的荷載

依據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》和《建筑施工手冊(cè)》第4版的規(guī)定：“冷卻塔環(huán)梁結(jié)構(gòu)為臨時(shí)性設(shè)置，不考慮風(fēng)載荷”。

荷載的組合：振搗產(chǎn)生的水平荷載與傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載不同時(shí)出現(xiàn)，只取其一與施工活荷載組合成標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，振搗混凝土與傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載相同，因此，任取其一。

由于作用于桁架的荷載比較多，因此，有必要對(duì)其荷載進(jìn)行分解(如圖2所示)，施加在桁架和三角架系統(tǒng)上荷載分解具體計(jì)算過(guò)程如下。

(1)Fs=①+②+③。將這些荷載分解到沿桁架上平面垂直向下的載荷Fsy和平行桁架上平面的荷載Fsz。將Fsy平均分解到桁架上平面的2個(gè)橫梁上，將Fsz平均分解到內(nèi)側(cè)模板的上、下兩端。

(2)Fj=④+⑤。將這些荷載轉(zhuǎn)化為集中力，分別施加到內(nèi)外側(cè)的三角架水平桿的中點(diǎn)上。

(3)Fd=⑥。將此荷載分解到底面模板的左右兩端，其載荷為Fd/2，此時(shí)該荷載將作用在垂直于桁架上平面的2根橫梁上。

通過(guò)以上計(jì)算，可得出作用于垂直內(nèi)側(cè)模板上端的總荷載Fz，如圖3所示。將Fz轉(zhuǎn)化為斜撐力F和垂直于桁架上平面內(nèi)側(cè)橫梁向上的荷載F12，此時(shí)3個(gè)荷載組成一個(gè)封閉的三角形，由此計(jì)算可得

F=Fz/cosα，F(xiàn)12=Fz/tan(90°-α) 。

圖3 桁架荷載計(jì)算示意圖

綜上所述，最終作用在桁架和三角架系統(tǒng)上的荷載施加位置、方向如圖4所示。

圖4 桁架荷載施加幾何示意圖

3 施工桁架結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 計(jì)算模型

桁架有限元模型原點(diǎn)位于桁架下平面中間直桿的中點(diǎn)，z軸正向?yàn)槠叫杏谙缕矫嬷赶蛲鈧?cè)橫梁，y軸正向垂直于下平面向上，由右手坐標(biāo)系確定x軸正向。

3.1.1 計(jì)算模型的取值范圍

在建立計(jì)算模型時(shí)，可考慮其中一榀桁架，以各個(gè)型鋼的形心軸線(xiàn)建立模型。桁架和三角架所有桿件均采用BEAM188單元，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為100 mm，模型計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 整體有限元網(wǎng)格模型

3.1.2 邊界條件

上下橫梁左側(cè)與人字柱接觸點(diǎn)處的x，y，z向；上下橫梁右側(cè)與人字柱接觸點(diǎn)處的y，z向；上下橫梁兩端處對(duì)稱(chēng)約束；內(nèi)外側(cè)三角架的兩端處對(duì)稱(chēng)約束。

3.1.3 荷載施加

桁架模型荷載施加示意圖如圖6所示。

圖6 模型荷載加載示意圖

3.2 計(jì)算成果分析

計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示，在圖7～圖9中，應(yīng)力單位均為MPa，軸應(yīng)力拉為正，壓為負(fù)。

圖7 整體復(fù)合應(yīng)力分布

圖8 上平面復(fù)合應(yīng)力分布

圖9 整體軸向應(yīng)力分布

根據(jù)GB 50017—2013《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，由于鋼材采用Q235鋼，且厚度小于16 mm，因此，其鋼材應(yīng)力設(shè)計(jì)值σ=215 MPa。

由圖8可以看出應(yīng)力結(jié)果，較大應(yīng)力值為275 MPa，位于上平面靠近兩人字柱側(cè)的腹桿上，此處是桁架約束的地方，從整體上看，有限元模型與模擬是合理的。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析可知，出現(xiàn)較大應(yīng)力值是由于腹桿桿端之間拉開(kāi)距離所致，從而增加了附加彎曲應(yīng)力，因此為了降低此處應(yīng)力值，調(diào)整桁架上平面人字柱附近腹桿，使桿件中心線(xiàn)交于一點(diǎn)并調(diào)整腹桿規(guī)格，計(jì)算結(jié)果如下。

3.3 優(yōu)化后計(jì)算成果分析

在圖10～圖12中，應(yīng)力單位為MPa。從圖10～圖12可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，桁架結(jié)構(gòu)整體受力狀況得到了改善，應(yīng)力最大值有所降低。其中應(yīng)力最大值轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)橫梁上，從圖12中可以看出，最大值只是比較小的范圍，是應(yīng)力集中的表現(xiàn)，其他部分應(yīng)力分布比較均勻，符合規(guī)范要求，說(shuō)明優(yōu)化方案較為合理。

圖10 整體復(fù)合應(yīng)力分布

圖11 上平面復(fù)合應(yīng)力分布

4 結(jié)論

(1)在實(shí)際工程施工中，應(yīng)盡量減小各腹桿與主梁相交處桿端之間的距離，使其中心線(xiàn)盡量交于一點(diǎn)，以減小桿端彎矩，降低應(yīng)力水平。

(2)由于桁架主梁與人字柱接觸處的上下翼緣應(yīng)力較大，應(yīng)加強(qiáng)與人字柱接觸處的桁架主梁。

(3)應(yīng)盡量保證桁架內(nèi)外平面與人字柱接觸處有直腹桿，以確保均衡傳力。

(4)傾倒混凝土和振搗混凝土不能同時(shí)進(jìn)行，在實(shí)際施工中應(yīng)嚴(yán)格控制。

(5)有限元分析可直觀(guān)地給出各桿件的受力狀態(tài)，有效地避免了結(jié)構(gòu)受力的不利因素而產(chǎn)生應(yīng)力集中，確保了結(jié)構(gòu)桿件安全。環(huán)梁施工桁架的優(yōu)化方案已經(jīng)用于實(shí)際施工中，在使用過(guò)程中，桁架受力狀態(tài)良好，安全可靠。

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