鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔的設(shè)計施工技術(shù)研究

張平

摘要：鋼網(wǎng)格冷卻塔結(jié)構(gòu)是一種在以大跨空間結(jié)構(gòu)和冷卻塔特有結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)的一種新型的冷卻塔結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)混凝土冷卻塔相比，鋼網(wǎng)格冷卻塔具有抗震性能好、施工周期短、鋼材可回收利用等特點。本文對鋼網(wǎng)格冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、設(shè)計參數(shù)及施工技術(shù)等進行了研究。

關(guān)鍵詞：鋼網(wǎng)格冷卻塔；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計施工技術(shù)

冷卻塔作為發(fā)電廠的重要結(jié)構(gòu)，其運行效果會直接對發(fā)電廠生命力產(chǎn)生影響。鋼筋混凝土冷卻塔仍然是當(dāng)前市場的主流，但是隨著冷卻塔規(guī)模的不斷增大，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷也日益凸顯。鋼網(wǎng)格冷卻塔結(jié)構(gòu)作為一種新型的冷卻塔構(gòu)造模式，其施工周期短、抗震性能好、成本適中，因而鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔也得到了越來越多的應(yīng)用，研究鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔的設(shè)計及施工技術(shù)對于我國工業(yè)的發(fā)展也有著重要的意義。

1鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔設(shè)計

1.1鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔現(xiàn)狀

國際上，鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔早在上世紀(jì)70年代已經(jīng)開始應(yīng)用，主要在伊朗和敘利亞等缺水地區(qū)，采用的結(jié)構(gòu)體系均為直筒錐段、單層三角型網(wǎng)格+加強環(huán)結(jié)構(gòu)體系，技術(shù)上已非常成熟。已經(jīng)投運的最高鋼塔塔高160m。

在國內(nèi)，鑒于鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔的眾多優(yōu)點，眾多中國科研院所、冷卻設(shè)備廠家、電力設(shè)計院等也開始研究鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，并取得了實質(zhì)性成果。

1.2冷卻塔結(jié)構(gòu)選型

目前國內(nèi)鋼筋混凝土冷卻塔均為雙曲線冷卻塔，這種形式的冷卻塔的散熱性能良好。鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔的塔型包括雙曲線塔、直筒錐塔等，鋼結(jié)構(gòu)體系有單層三角形網(wǎng)格、四角錐網(wǎng)殼等不同型式。（如圖1、圖2、圖3所示）

雙曲線型冷卻塔的主要參數(shù)包括塔底直徑、塔高、出口直徑、喉部直徑、喉部高度、區(qū)別于雙曲線型冷卻塔，直筒錐塔上部塔筒為圓柱筒型，因此主要的塔體參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變，主要參數(shù)包括圓柱筒高度、圓柱筒直徑、進風(fēng)口高度、進風(fēng)口直徑、截錐高度、塔高等。

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究，雙曲線型鋼塔用鋼量和外墻材料量多于直筒錐型鋼塔，并且雙曲線型鋼塔施工難度相對較大。并且通過數(shù)值模擬，直筒錐型塔散熱器的風(fēng)流量較雙曲線型塔高，且質(zhì)量流率及熱負(fù)荷隨著錐筒高度增加而呈上升趨勢。因此，國內(nèi)外直筒錐型鋼結(jié)構(gòu)塔應(yīng)用較雙曲線型多。

鋼網(wǎng)格冷卻塔骨架由鋼柱、水平抗風(fēng)桁架以及柱間支撐組成，鋼結(jié)構(gòu)骨架外側(cè)包掛彩鋼板、鋁板等外墻板蒙皮。

1.3直筒錐塔設(shè)計

鋼塔塔體所受荷載與混凝土冷卻塔類似，主要包括恒載、活載、風(fēng)載、溫度荷載及地震作用。恒載包括鋼立柱自重、外墻板自重、斜撐及檁條自重、節(jié)點板自重等?；钶d包括雪荷載及檢修荷載等，此部分比較小，可以忽略不計。風(fēng)荷載的分布與混凝土冷卻塔類似，可按《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》確定。溫度荷載分兩部分：一是塔體環(huán)境溫度的變化，即整體溫升及溫降；二是受日照影響作用，塔體內(nèi)部溫度場的不均勻溫差。

鋼塔結(jié)構(gòu)計算內(nèi)容主要包括穩(wěn)定性計算、鋼構(gòu)件內(nèi)力分析等。結(jié)構(gòu)計算采用通用有限元軟件ANSYS，對結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形等進行計算。

1.4直筒錐塔可靠性分析

碳鋼在大氣中的腐蝕速率與空氣的相對濕度有密切的關(guān)系，當(dāng)空氣相對濕度< 30%時，幾乎不會發(fā)生腐蝕情況，當(dāng)空氣相對濕度< 60%時，隨著相對濕度增加，腐蝕速率增加但增加緩慢，而當(dāng)相對濕度> 60%時，在金屬表面易產(chǎn)生凝露，碳鋼在大氣中的腐蝕會急劇加速。如圖4。

在間冷塔正常工作時，經(jīng)過空冷散熱器加熱，空氣溫升大于20℃，進入塔內(nèi)的相對濕度將不超過30%。根據(jù)以上的腐蝕機理，在間冷機組正常運行時，塔內(nèi)相對濕度很低，在這種情況下不會形成腐蝕條件。

蒙皮板厚度、波形、檁條間距及布釘間距根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇風(fēng)載荷及相關(guān)系數(shù)計算確定，撓度和剛度滿足設(shè)計要求。

1.5冷卻塔穩(wěn)定性分析

鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔穩(wěn)定性的影響因素包括結(jié)構(gòu)、剛度以及荷載等等。常用的混凝土冷卻塔穩(wěn)定性分析方法包括計算特征值分析法、整體穩(wěn)定性驗算方法以及對局部穩(wěn)定性進行驗算的屈曲應(yīng)力狀態(tài)方法。根據(jù)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及冷卻塔建設(shè)規(guī)程，鋼網(wǎng)格冷卻塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般不需要進行驗算，但是考慮到鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外形的特殊性和穩(wěn)定性的不確定性，因而在實際的設(shè)計中仍然需要對鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行驗算。在進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算時需要從兩方面來進行，包括考慮跨度和不考慮初始缺陷兩種情況，并建立兩個結(jié)構(gòu)模型。經(jīng)驗算鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為初始缺陷非敏感結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)的屈曲特征值較大，因而結(jié)構(gòu)整體的線性穩(wěn)定性也可以充分滿足冷卻塔的使用要求。

2鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔施工

2.1施工方案選擇

鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔本身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于施工技術(shù)和精度控制的要求也比較高，因而在進行施工方案的選擇時必須要對施工難度、施工成本以及施工質(zhì)量等因素進行綜合的分析。結(jié)合鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔的特點，可以將攀達(dá)穹頂施工法作為基礎(chǔ)施工技術(shù)，于此同時利用整體頂升施工法和逆作安裝法加以配合，制定出與鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的交替分布頂升施工方法。一般來說冷卻塔頂升的第一圉結(jié)構(gòu)需要先在地面拼裝好，之后利用液壓千斤頂同步頂升技術(shù)將拼裝完成好的第一圉結(jié)構(gòu)單元進行逐步的頂升，并采用補焊桿件進行結(jié)構(gòu)的補充，在此基礎(chǔ)上再進行第二圉結(jié)構(gòu)的拼裝和頂升施工，將此過程進行多次重復(fù)，直至鋼網(wǎng)格冷卻塔結(jié)構(gòu)的完成。交替分布頂升施工方法的大部分結(jié)構(gòu)可以在地面進行拼裝，高空作業(yè)的難度得以降低，施工效率及冷卻塔的建設(shè)安全性都可以得到保證。

2.2施工準(zhǔn)備工作

確定好施工方案之后需要進行鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工順序的確認(rèn)，施工準(zhǔn)備工作是施工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，會對后續(xù)的施工質(zhì)量和施工效率產(chǎn)生重要的影響，因而必須要引起重視。嚴(yán)格按照鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔的設(shè)計要求進行地面滑動軌道和移動頂升車的布置，支架要進行環(huán)向的布置，布置完成后要進行相應(yīng)的調(diào)試，確保支架和移動頂升車滑動軌跡的正確性。移動頂升車的滑移軌道具體的布置如圖5所示。施工平臺也要進行環(huán)向的分裝搭設(shè)，平臺與移動頂升車的高度應(yīng)當(dāng)保持一致，一般來說平臺的高度在2m左右，于此同時還要結(jié)合鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔的施工特點滿足可拆卸的需求。

2.3鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔施工安裝

根據(jù)冷卻塔的鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形狀以及設(shè)計圖紙中坐標(biāo)和標(biāo)高的要求在施工平臺上進行第一圉結(jié)構(gòu)單元的拼裝，待拼裝工作結(jié)束之后可以將滑動軌道上的平臺撤掉，并將與第一圈結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的移動頂升車移動到相應(yīng)軌道上進行定位，將桿件支點和頂升支點連接起來。液壓千斤頂也是鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔施工的關(guān)鍵技術(shù)，可以利用液壓千斤頂同步頂升技術(shù)將第一圉結(jié)構(gòu)頂升至設(shè)計中規(guī)定的標(biāo)高位置，至此第一圉結(jié)構(gòu)的安裝工作完成。第二圉單元拼裝與鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第一圈結(jié)構(gòu)的施工方法，之后在利用施工現(xiàn)場的起重設(shè)備將其放置到合適的安裝位置上。需要注意的是在第二圉單元的吊裝中要排除與頂升支架的位置存在沖撞，不便于進行焊接的單元。此外需要將第一圉結(jié)構(gòu)安裝所使用的移動頂升車移開，工人在頂升車原在位置放置爬梯，通過相應(yīng)的施工補齊剩余單元，直至可以形成完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。之后對第一二圉結(jié)構(gòu)的安裝施工操作進行重復(fù)，通過兩部移動頂升車的不斷倒換來完成第三圉及后續(xù)的單元結(jié)構(gòu)的頂升作業(yè)。待環(huán)向結(jié)構(gòu)安裝完成后要將兩部移動頂升車及其使用的滑移軌道全部撤除，施工人員要根據(jù)設(shè)計要求將結(jié)構(gòu)中缺少的單元桿件進行補齊，并將基礎(chǔ)與剩余的單元進行連接和固定。

3結(jié)語

綜上所述，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土冷卻塔相比，鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔在設(shè)計施工階段具有突出的優(yōu)勢，于此同時其穩(wěn)定性較高，對于相關(guān)經(jīng)濟效益的提高也有著積極的作用，在未來有著巨大的發(fā)展?jié)撃?。但是目前大型鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的冷卻塔在設(shè)計動力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)邊界條件選取以及施工技術(shù)的選擇等方面仍然存在一些不足，因而有必要進一步加強相關(guān)研究，促進鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)冷卻塔建設(shè)質(zhì)量和使用效果的提升。

參考文獻

[1]肖慶，張棟，杜晶，雷本宏.SAP2000二次開發(fā)在鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔參數(shù)化建模中的應(yīng)用[J]特種結(jié)構(gòu)，201 7，34（03）：45-49

[2]徐超，張其林，杜晶，張棟.雙曲線拋物面鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔尺寸參數(shù)優(yōu)選研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016， 46（14）：97-99

[3]陳珂.鋼結(jié)構(gòu)雙曲線冷卻塔計算分析及探索[J].廣東建材，2015，31（08）：49-51