冷卻塔下環(huán)梁及X柱施工支撐腳手架結(jié)構(gòu)有限元分析

徐 亮，張衛(wèi)星，胡宗軍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009；2.中國能源建設(shè)集團 安徽電力建設(shè)第二工程公司， 安徽 合肥 230031)

冷卻塔是火力發(fā)電廠循環(huán)水的冷卻設(shè)備，多為自然通風(fēng)雙曲線型鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，主要由環(huán)形基礎(chǔ)、斜支柱、通風(fēng)筒、集水池和淋水構(gòu)件組成[1]。環(huán)梁以及其下部斜柱是冷卻塔結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位之一，傳承著整個筒壁的載荷。斜支柱在空間中呈雙向傾斜，工藝質(zhì)量要求高，施工難度與質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)是整個工程的難點和重點[2-3]。環(huán)梁及支柱施工方法眾多，如預(yù)制支柱吊裝無腳手架環(huán)梁現(xiàn)澆施工法[4]、滿堂腳手架支柱環(huán)梁現(xiàn)澆施工法等。在支柱及環(huán)梁施工方法選擇上，不同的施工方法對于其適用性、經(jīng)濟性、安全性均有不同影響[5-9]。特別在“11.24”江西豐城電廠冷卻塔施工特大安全事故后[10-12]，冷卻塔施工安全更為人們所重視[13-14]。

本文以京能五間房電廠一期2×660 MW機組工程接空冷卻塔下環(huán)梁及X柱腳手架支撐結(jié)構(gòu)為研究對象，針對兩種不同設(shè)計施工方案進行有限元分析，并從多個方面對兩種方案進行對比，研究結(jié)論為國內(nèi)該類型支撐腳手架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭設(shè)和應(yīng)用提供有益參考。

1 支撐腳手架搭設(shè)方案

本工程冷卻塔塔體為雙曲線鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，筒壁支撐結(jié)構(gòu)為44組分段現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)X柱，結(jié)構(gòu)尺寸為1.15 m×1.75 m。X柱底標(biāo)高為±0 m其中心半徑70 m，下環(huán)梁中心標(biāo)高為31.5 m，中心半徑60.708 m，環(huán)梁底寬度1.9 m，第一節(jié)環(huán)梁澆筑高度1.3 m。冷卻塔X柱及環(huán)梁施工均采取應(yīng)用Ф48.3×3.6鋼管搭設(shè)扣件式鋼管腳手架的施工方法。腳手架設(shè)計如下兩種搭設(shè)方案：

(1) 方案1。腳手架設(shè)計為環(huán)形(封圈型腳手架)，按照區(qū)域設(shè)置44個相同的單元，整體呈滿堂階梯型布置，搭設(shè)總高度36 m、寬度35.2 m，立桿徑向間距1.1 m和1.5 m、環(huán)向間距0.68 m～1.20 m(環(huán)梁底加密區(qū)立桿間距為0.5 m×1.0 m共5排)，水平桿層間間距為1.5 m。沿圓周方向布置四圈環(huán)向剪刀撐到頂，徑向方向每兩個相同單元相交處設(shè)置三道徑向剪刀撐到頂，水平剪刀撐分別于標(biāo)高-1.9 m、5.6 m、13.1 m、20.6 m、28.1 m處布置五層。X柱分4段施工，分別于9.00 m、16.98 m、24.81 m、31.50 m處留設(shè)澆筑點，最后澆筑下環(huán)梁。由于結(jié)構(gòu)軸對稱，取一基本扇區(qū)(整體環(huán)形結(jié)構(gòu)的四十四分之一)，結(jié)構(gòu)具體形式如圖1所示。

(2) 方案2。腳手架搭設(shè)成環(huán)形滿堂式，搭設(shè)總高度34 m、寬度27 m，其中環(huán)梁及X柱投影下滿堂搭設(shè)12排腳手架，其后腳手架沿徑向搭設(shè)4列。滿堂腳手架立桿徑向間距1.2 m和1.5 m，環(huán)向間距0.860 m～1.385 m(環(huán)梁底加密區(qū)立桿間距為0.60 m×1.25 m共5排)，水平桿層間間距為1.4 m。沿圓周方向分別于第1排第4排第8排第10排布置四圈環(huán)向剪刀撐到頂，徑向方向設(shè)置三道徑向剪刀撐到頂，水平剪刀撐沿高度方向每6 m布置一道共計6道。X柱分4段施工，分別于7.8 m、15.6 m、25.6 m、31.5 m處留設(shè)澆筑點，最后澆筑下環(huán)梁。由于結(jié)構(gòu)軸對稱，取一基本扇區(qū)(整體環(huán)形結(jié)構(gòu)的四十四分之一)，結(jié)構(gòu)具體形式如圖2所示。

(a) 俯視圖(b) 側(cè)視圖

圖1方案1腳手架結(jié)構(gòu)俯視圖與側(cè)視圖

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

冷卻塔下環(huán)梁及X柱腳手架支撐結(jié)構(gòu)是一個龐大的空間力系桿件系統(tǒng)，腳手架的鋼管采用Ф48.3×3.6鋼管，材質(zhì)均為Q235鋼材，彈性模量E=2.06×1011Pa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3。X柱和下環(huán)梁模板為木質(zhì)材料，彈性模量E=0.98×109Pa，密度ρ=0.612×103kg/m3。X柱及環(huán)梁為C40混凝土，彈性模量E=3.25×1010Pa，密度ρ=2.4×103kg/m3，泊松比μ=0.2。根據(jù)上述兩種腳手架搭設(shè)方案，運用MIDAS/Civil分別建立兩組結(jié)構(gòu)模型，計算在X柱和下環(huán)梁澆注施工過程中的兩種方案腳手架系統(tǒng)的力學(xué)特性。

(a) 俯視圖(b) 側(cè)視圖

圖2方案2腳手架結(jié)構(gòu)俯視圖與側(cè)視圖

腳手架結(jié)構(gòu)模型所運用單元類型如下：

(1) 立桿用一般梁/變截面梁單元模擬，水平桿、斜桿等均采用桁架單元(桿單元)模擬。

(2) X柱用混凝土實體單元模擬。

(3) X柱及環(huán)梁結(jié)構(gòu)模板均用板單元模擬。

有限元模型中整體坐標(biāo)系為笛卡爾直角坐標(biāo)系，源點位于冷卻塔中軸上，x軸為冷卻塔徑向，xy平面為水平面，z軸沿重力方向，朝上為正。在立桿底部節(jié)點建立局部柱坐標(biāo)系，x軸為徑向，y軸為環(huán)向，z軸為軸向。在局部柱坐標(biāo)系中，基本扇區(qū)兩排徑向邊側(cè)的立柱底部節(jié)點約束y、z方向2個自由度，其他底部節(jié)點僅約束z方向自由度，以此為邊界條件進行有限元分析計算。

塔架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 方案1側(cè)視圖與俯視圖

圖4方案2俯視圖與側(cè)視圖

3 計算分析

腳手架結(jié)構(gòu)承受荷載包括自重、X柱和環(huán)梁重力等。其中，腳手架自重通過MIDAS/Civil中的重力加速度模塊予以施加。X柱的混凝土濕重以面荷載的形式施加在X柱模板單元上。環(huán)梁混凝土濕重荷載以面荷載的形式施加在環(huán)梁模板單元上。

3.1 計算工況

為更加準(zhǔn)確地分析模擬X柱和下環(huán)梁分段施工過程，本文將支撐腳手架計算分為以下5個施工階段分別進行計算：

(1) 施工階段1：施加第一段X柱混凝土濕重荷載時，支撐系統(tǒng)的變形及應(yīng)力分析。

(2) 施工階段2：施工階段1結(jié)束后，支撐系統(tǒng)在施工階段1變形和應(yīng)力計算結(jié)果基礎(chǔ)上施加第二段混凝土濕重荷載，計算支撐系統(tǒng)的變形及應(yīng)力。

(3) 施工階段3：施工階段2結(jié)束后，支撐系統(tǒng)在施工階段2變形和應(yīng)力計算結(jié)果基礎(chǔ)上施加第三段混凝土濕重荷載，計算支撐系統(tǒng)的變形及應(yīng)力。此時，第一、二段X柱混凝土凝固，應(yīng)用實體單元建模，作為結(jié)構(gòu)參與計算。

(4) 施工階段4：施工階段3結(jié)束后，支撐系統(tǒng)在施工階段3變形和應(yīng)力計算結(jié)果基礎(chǔ)上施加第四段混凝土濕重荷載，計算支撐系統(tǒng)的變形及應(yīng)力。此時，第一、二、三段X柱混凝土凝固，應(yīng)用實體單元建模，作為結(jié)構(gòu)參與計算。

(5) 施工階段5：施工階段4結(jié)束后X柱整體澆注完成，支撐系統(tǒng)在施工階段4變形和應(yīng)力計算結(jié)果基礎(chǔ)上施加環(huán)梁混凝土濕重荷載，計算支撐系統(tǒng)的變形及應(yīng)力。此時，X柱混凝土凝固，應(yīng)用梁單元建模，作為結(jié)構(gòu)參與計算。

3.2 計算結(jié)果

對于兩種方案下支撐腳手架結(jié)構(gòu)的5個施工階段進行有限元分析，位移變形及應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示。

(1) 方案1計算結(jié)果

① 位移云圖。各施工階段方案1計算位移云圖見圖5。

圖5方案1各施工階段位移云圖

② 應(yīng)力云圖。各施工階段方案1計算的應(yīng)力云圖見圖6。

圖6方案1各施工階段應(yīng)力云圖

(2) 方案2計算結(jié)果

① 位移云圖。各施工階段方案2計算位移云圖見圖7。

圖7方案2各施工階段位移云圖

② 應(yīng)力云圖。各施工階段方案2計算應(yīng)力云圖見圖8。

圖8方案2各施工階段應(yīng)力云圖

計算結(jié)果曲線圖如圖9、圖10所示。

方案1中腳手架支撐結(jié)構(gòu)總高36 m，結(jié)構(gòu)最大位移為80.87 mm，最大Von-mises應(yīng)力為201.36 MPa；方案2中腳手架支撐結(jié)構(gòu)總高34 m，結(jié)構(gòu)最大位移為76.14 mm，最大Von-mises應(yīng)力為190.95 MPa。由《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[15]JGJ 130—2011可知，腳手架支撐結(jié)構(gòu)整體允許位移最大限值為l/400(l為腳手架結(jié)構(gòu)整體高度)，兩種方案的有限元計算結(jié)果均小于結(jié)構(gòu)允許位移，因此上述兩種方案塔架結(jié)構(gòu)均滿足剛度要求。腳手架整體用Q235型鋼管，由規(guī)范所述，Q235鋼抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值為205 MPa，計算結(jié)果也均小于材料Q235鋼的許用應(yīng)力，因此上述兩種方案塔架結(jié)構(gòu)均滿足強度要求。

通過計算結(jié)果數(shù)據(jù)比較可看出，方案2在施工階段1的位移比方案1大，但隨后各個施工階段，方案2的位移增量小于方案1位移增量，最終下環(huán)梁施工后支撐腳手架系統(tǒng)總變形量小于方案1。方案2在各個施工階段的最大應(yīng)力均小于方案1。對于本文分析的基本扇區(qū)，方案1結(jié)構(gòu)的用鋼量為71.57 t，方案2結(jié)構(gòu)的用鋼量為41.86 t，僅為方案1的58%。

圖9 各施工階段位移曲線圖

圖10各施工階段應(yīng)力曲線圖

4 結(jié) 論

本文利用MIDAS/Civil有限元分析軟件對此類冷卻塔下環(huán)梁及X柱施工腳手架支撐結(jié)構(gòu)在不同施工階段下進行分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

(1) 在上述五種工況下結(jié)構(gòu)最大位移和應(yīng)力值均小于許用值，腳手架支撐結(jié)構(gòu)滿足相關(guān)規(guī)范的安全性要求。

(2) 兩種施工方案計算結(jié)果顯示，隨著施工階段的推進，結(jié)構(gòu)變形量逐步增大，但方案2最大位移增量小于方案1，方案2最終變形量小于方案1；隨著施工階段的推進，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力也逐步增大，但在各個施工階段方案2最大應(yīng)力均小于方案1。

(3) 方案2結(jié)構(gòu)用鋼量遠(yuǎn)小于方案1。

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