冷卻塔塔筒子午向鋼筋布置

陳斌，王小松

(重慶交通大學(xué)橋梁系，重慶市400074)

0 引言

雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔是火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的冷卻設(shè)施，無論是濕冷塔，還是空冷塔，一般都由通風(fēng)筒、人字柱、環(huán)基、淋水裝置和塔心材料組成［1］。塔筒作為冷卻塔土建工程中的主要結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題愈來愈受各方的重視。目前，關(guān)于塔筒受力和選型等方面都取得了一些好的研究成果［2-3］;配筋設(shè)計(jì)方面，尤其是塔筒子午向的鋼筋布置，計(jì)算過程比較復(fù)雜，但對(duì)其研究卻相對(duì)較少。合理的鋼筋分布不僅能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力安全與穩(wěn)定性，而且對(duì)減少工程造價(jià)也有及其重要的作用［4］。本文根據(jù)冷卻塔塔筒子午向鋼筋的布置特點(diǎn)，提出其配筋迭代計(jì)算方法，并給出計(jì)算程序。

1 塔筒子午向配筋設(shè)計(jì)難點(diǎn)

塔筒是高聳薄殼型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式各異，尺寸大小不一，即使是同一項(xiàng)目的2座結(jié)構(gòu)形式相同的冷卻塔，受力大小也有很大差異［5］。塔筒的配筋設(shè)計(jì)不可能像橋梁工程那樣有諸多標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可循，現(xiàn)場(chǎng)施工一般是按模板高度分層立模澆筑［6-7］，子午向鋼筋布置需要考慮上、下層模板間鋼筋的搭接問題。

現(xiàn)行規(guī)范 DL/T 5339—2006［8］要求子午向受力鋼筋應(yīng)在接頭位置相互錯(cuò)開，并且在任一搭接長度區(qū)段內(nèi)，有接頭的受力鋼筋截面積應(yīng)占受力鋼筋總截面面積的1/3。若將3根鋼筋編為1組，按照高、中、低的方式錯(cuò)層排列，中間各層模板的每組鋼筋有2根鋼筋都來源于下層模板。下層模板的布筋形式會(huì)很大程度地影響上層模板的鋼筋分布，如圖1所示。

根據(jù)塔筒的受力特點(diǎn)，喉部以下模板的鋼筋布置呈現(xiàn)自下而上鋼筋根數(shù)不斷減少，鋼筋直徑不斷變細(xì)的趨勢(shì)，喉部以上模板的鋼筋布置形式正好相反，自下而上配筋量逐漸增多?？紤]鋼筋的平順搭接，一般鋼筋直徑的增減量不會(huì)超過二級(jí)，根數(shù)變化量也只有1根。如此狹隘的調(diào)節(jié)條件很大程度地造成當(dāng)前層模板的配筋不能同時(shí)滿足受力和構(gòu)造要求。

圖1 塔筒子午向布筋特點(diǎn)Fig.1 Arrangement characteristic of meridian reinforcement in cooling tower

若只考慮某個(gè)單個(gè)因素，正如文獻(xiàn)［9］采用不改變鋼筋根數(shù)，只改變鋼筋直徑的布筋方式，雖然可以消除鋼筋根數(shù)增加或減少造成的搭接不順暢和對(duì)塔筒局部受力不利等影響，但是卻帶來了2個(gè)新的問題。一方面加大了鋼筋的搭接工作，施工速度會(huì)受到制約;另一方面，對(duì)于特大型冷卻塔，下環(huán)梁與喉部的弧長相差很大，喉部附近的數(shù)層模板鋼筋間距會(huì)變得很小，甚至不滿足規(guī)范規(guī)定的間距要求。而且，鋼筋間距過小會(huì)造成混凝土澆筑不便，無法安置預(yù)埋件等施工困難。

綜合看來，塔筒子午向配筋需要解決兩大難題，即配筋量滿足要求和模板間平順搭接。

2 迭代計(jì)算過程

鋼筋根數(shù)的增減一般是要求在1對(duì)支柱之間的弧長段即1榀弧長內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因此，本文所述的塔筒子午向鋼筋布置都是指1榀弧長段li的布筋量。配筋計(jì)算時(shí)，首先可以很容易求出下環(huán)梁的鋼筋，再將其分成高、中、低3組，其中高、中2組將作為中間層模板配筋的不變組，低組鋼筋將作為可變組，中間層模板的配筋計(jì)算只需確定可變組的布筋形式即可。需要滿足的條件主要來自2個(gè)方面，一方面是當(dāng)前模板的配筋量和構(gòu)造要求，另一方面是后續(xù)模板的配筋量和構(gòu)造要求。對(duì)于后者，只會(huì)在后續(xù)模板布筋形式不滿足要求而進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。最后，自下而上逐層計(jì)算，確定各層模板布筋滿足要求，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 中:Asi，As，A's分別為理論配筋總量、可變組理論配筋量、可變組實(shí)際配筋量，其中，Asi可根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［10］中各種受力構(gòu)件的計(jì)算理論得到分別為高、中2個(gè)不變組的鋼筋根數(shù)和直徑;n'、d(g')、n、d(g)分別為可變組鋼筋根數(shù)和直徑的計(jì)算過程值與終值;Sn1、Sn2、S'n、Sn分別為最小、最大鋼筋間距和鋼筋間距計(jì)算過程值與終值;nr為后續(xù)模板對(duì)當(dāng)前模板的配筋要求，－1表示需要減少當(dāng)前模板鋼筋根數(shù)，1表示需要增加當(dāng)前模板鋼筋根數(shù);cr為當(dāng)前模板配筋校核結(jié)果，－1表示需要減少下層模板鋼筋根數(shù)，0表示當(dāng)前模板滿足配筋要求，1表示需要增加下層模板鋼筋根數(shù)，2表示需要增加下層模板配筋量;ls1、cs1為下層模板與當(dāng)前層模板最大配筋量狀態(tài)，T代表達(dá)到最大配筋量，F(xiàn)代表未達(dá)到;ls2、cs2為下層模板與當(dāng)前層模板鋼筋根數(shù)可增狀態(tài)，T代表鋼筋根數(shù)可增，F(xiàn)代表不可增;ls3、cs3為下層模板與當(dāng)前層模板鋼筋根數(shù)可減狀態(tài)，T代表鋼筋根數(shù)可減，F(xiàn)代表不可減。

2.1 根數(shù)優(yōu)先原則

鋼筋根數(shù)和直徑的改變都能調(diào)整鋼筋用量，但根數(shù)的變化還能調(diào)整鋼筋間距，因此優(yōu)先確定鋼筋根數(shù)是解決子午向配筋兩大難點(diǎn)的關(guān)鍵，具體表現(xiàn)在以下2個(gè)方面。一方面，當(dāng)需要減少配筋時(shí)，根數(shù)與直徑不能同時(shí)減量，若二選一的減量方式都能滿足要求時(shí)，顯然降低鋼筋直徑等級(jí)的減量方式更加經(jīng)濟(jì)，但后續(xù)模板可能因?yàn)楫?dāng)前層減筋量過大，不能再減少鋼筋而影響其構(gòu)造要求。另一方面，當(dāng)需要增大配筋時(shí)，優(yōu)先增加鋼筋根數(shù)在滿足配筋量要求后就不用再增加鋼筋直徑，既能實(shí)現(xiàn)鋼筋布置平穩(wěn)過渡，也相比直接增加鋼筋直徑更經(jīng)濟(jì)。

2.2 后續(xù)模板要求

可變組的鋼筋根數(shù)一般只有1根調(diào)節(jié)量，這就很難保證僅通過本層模板的調(diào)節(jié)來滿足要求，此時(shí)，就需要重新調(diào)整下層模板的布筋形式。如圖3所示，當(dāng)需要增加1根鋼筋才能滿足后續(xù)模板間距要求時(shí)，可以在滿足本層模板間距要求的情況下增加1根;當(dāng)需要減少1根鋼筋時(shí)，就必須用增大鋼筋直徑來彌補(bǔ)。

圖3 后續(xù)模板要求流程Fig.3 Flow chart of subsequent template requirement

2.3 配筋校核

在確定可變組的鋼筋具體布置形式后，需要判斷是否滿足配筋量和構(gòu)造要求。當(dāng)不滿足時(shí)，只能在下層模板配筋狀態(tài)可調(diào)時(shí)，重新確定下層模板的布筋形式來盡可能滿足當(dāng)前模板的要求。如圖4所示，當(dāng)配筋量過少時(shí)，將下層模板的理論配筋量變?yōu)楸敬斡?jì)算時(shí)當(dāng)前模板所能達(dá)到的最大配筋量，那么在進(jìn)行第2次計(jì)算時(shí)，當(dāng)前模板的配筋量就會(huì)有進(jìn)一步的增長空間。如此反復(fù)，只要配筋量沒有超過最大配筋量就總能保證本層模板配筋量的要求。

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

2.4 可調(diào)狀態(tài)

完成當(dāng)前模板配筋后，為了給后續(xù)模板配筋提供依據(jù)，需要計(jì)算出當(dāng)前模板布筋形式的可調(diào)狀態(tài)。具體表現(xiàn)在3個(gè)方面:鋼筋量可增cs1、鋼筋根數(shù)可增cs2、鋼筋根數(shù)可減cs3。對(duì)于根數(shù)可減的情況，為了不減少鋼筋量，則需要同時(shí)滿足鋼筋直徑可增的條件。圖5為可調(diào)狀態(tài)流程。

圖5 可調(diào)狀態(tài)流程Fig.5 Flow chart of adjustment status

3 算例分析

按照上述計(jì)算過程，編制了塔筒子午向配筋程序SMS。以某工程為例，對(duì)其冷卻塔的塔筒子午向配筋進(jìn)行計(jì)算，并分析計(jì)算結(jié)果。該冷卻塔的主要參數(shù)為:塔筒模板數(shù)為120節(jié)，下環(huán)梁標(biāo)高為14.001m，半徑為65.814m;喉部標(biāo)高為142.786m，半徑為39.325m;剛性環(huán)標(biāo)高為 191.000m，半徑為41.390m。

先設(shè)定 Sn1=180 mm，Sn2=200 mm，使得采用SMS和文獻(xiàn)［9］這2種方式在下環(huán)梁處有相同的布筋結(jié)果，后續(xù)模板計(jì)算時(shí)，將鋼筋根數(shù)調(diào)整方式設(shè)定為不可變即轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)［9］的布筋方式。2種方式的子午向外壁部分模板布筋結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，SMS方式和文獻(xiàn)［9］方式的布筋結(jié)果明顯不同，SMS布筋方式自下而上呈明顯的先減后增的趨勢(shì)，而文獻(xiàn)［9］方式在1到17塊模板間呈顯著的遞減趨勢(shì)，從17到59塊模板間遞減速度趨于平緩，59塊模板以后布筋量不再改變。尤其是在喉部處，文獻(xiàn)［9］方式與SMS方式相比多用了近一半的鋼筋，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)語

通過分析冷卻塔子午向鋼筋的布置特點(diǎn)，提出迭代計(jì)算方法，并結(jié)合其他算法，對(duì)某冷卻塔工程配筋計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后，得出以下結(jié)論:

(1)塔筒子午向鋼筋不僅要滿足承載能力和裂縫驗(yàn)算要求，還需要綜合考慮模板間鋼筋平順搭接的問題，布筋計(jì)算是一個(gè)迭代過程。

(2)按照高、中、低的方式錯(cuò)層排列，在綜合考慮鋼筋根數(shù)、直徑、搭接及便于施工等因素后，認(rèn)為以優(yōu)先調(diào)整鋼筋根數(shù)的布筋結(jié)果具有經(jīng)濟(jì)合理，過渡平順，便于施工的優(yōu)點(diǎn)。

(3)迭代思想的核心在于通過調(diào)整前排模板的布筋形式來盡可能地滿足當(dāng)前模板的配筋要求，諸如煙囪、水塔等高聳建筑結(jié)構(gòu)的鋼筋布置計(jì)算也可采用該思想。

(4)一般來說，要強(qiáng)制將某層模板的布筋結(jié)果設(shè)定為固定的形式是不太現(xiàn)實(shí)的，但可以事先修正該層模板的理論配筋總量Asi來實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整的需求。

［1］程懷亮.冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問題［J］.電力學(xué)報(bào)，1997，12(4):46-50.

［2］周蘭欣，馬少帥.AP1000核電機(jī)組巨型冷卻塔型體優(yōu)化數(shù)值計(jì)算［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，32(12):984-998.

［3］王巧榮.雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，1998(6):60-62.

［4］管向明，宋其英.冷卻塔混凝土、鋼材含量及其造價(jià)關(guān)系的分析研究［J］.山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，6(2):64-66.

［5］王成立.內(nèi)陸核電超大型冷卻塔的選型及配置［J］.山東電力技術(shù)，2011(3):51-53.

［6］姜晨光.以模板長為基數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)雙曲面冷卻塔施工［J］.建筑技術(shù)，1996，23(7):457-459.

［7］叢培江，李敬生，柴鳳祥.雙曲線冷卻塔塔筒模板變高研究［J］.電力建設(shè)，2009，30(8):106-109.

［8］DL/T 5339—2006火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［9］梁樹忠，張華文.冷卻塔子午向鋼筋排布的新設(shè)計(jì)與施工［J］.電力建設(shè)，2000，21(10):56-57.

［10］GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010:34-35.