基于塔筒安全的冷卻塔施工塔吊柔性附著布置選取方法

盧欽先

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著單機容量的擴展、大型間接空冷系統(tǒng)的使用以及內(nèi)陸核電站廠址的需求，雙曲線型自然通風冷卻塔正往超大型方向發(fā)展。在冷卻塔施工中，塔筒施工由于壁厚小、高度高而顯得難度最大，尤其其垂直運輸問題不易解決。對于超大型冷卻塔，采用電建系統(tǒng)通行的多孔井字架、常規(guī)的自升式塔吊的剛性附著由于場地以及高度限制實施非常困難[1-2]。塔吊的柔性附著（鋼絲繩）連接技術(shù)，不僅可以保證塔吊的穩(wěn)定性，而且合理的柔性附著布置有利于施工期塔筒安全。經(jīng)實踐證明，其適合在大型冷卻塔施工中采用。

但對于超大、超高冷卻塔，塔吊的柔性附著技術(shù)實施案例極少，施工規(guī)范也尚無該方面內(nèi)容的明確規(guī)定。目前，更多研究集中于塔吊自身，而施工期塔筒的結(jié)構(gòu)安全與塔吊安全密切相關(guān)，也不容忽視[3-5]。因此，文章以整體塔筒模型為研究對象，運用大型有限元軟件ANSYS等有限元分析軟件對不同柔性附著方案，提出考慮附著層間距、附著力大小等因素影響的合理布置方案選取方法，并基于某電廠超大塔設(shè)計實例進行分析，得出合理的附著布置方案。

1 施工期塔筒受力分析模型及影響因素

1.1 施工期模型

某電廠超大型冷卻塔淋水面積大于20000m2，塔高大于180m，塔筒分節(jié)施工，整個幾何模型由樁基、環(huán)形地基、支墩、人字柱、塔筒5個部分組成。其中，塔筒的曲率半徑作為典型整體結(jié)構(gòu)的尺寸，厚度與典型結(jié)構(gòu)尺寸比值較大，故塔筒可用殼單元或?qū)嶓w單元模擬；筒壁為鋼筋混凝土材料，混凝土的彈性模量及強度在施工期間會隨養(yǎng)護天數(shù)的增加而增加，為確保筒壁安全，需要精確模擬混凝土齡期；鋼筋不單獨模擬，用混凝土彈性模量強化的方式來模擬鋼筋的作用。施工期塔筒模型可以考慮不同附著高度，建立3～5個不同高度施工期模型（M1～M5），類比推演各個施工階段最不利的柔性附著模型。施工期模型M1如圖1所示，模型M5如圖2所示。

1.2 施工期荷載

施工期冷卻塔所受荷載主要包括3類，分別為自重荷載、施工臨時荷載以及風荷載。施工臨時荷載由建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選取，風荷載是施工期需要重點關(guān)注的荷載，對結(jié)構(gòu)安全影響重大，且塔吊的軟附著力通常在極端風荷載工況下出現(xiàn)極值，因此在考慮軟附著力對于結(jié)構(gòu)影響時，應(yīng)同時施加施工期風荷載，考慮其環(huán)向以及高度方向的變化。而附著力根據(jù)附著間距變化而變化，由塔吊本身穩(wěn)定計算確定，附著的層數(shù)多，間距小，則附著力相對較小，反之亦然。

圖1 施工期模型M1

圖2 施工期模型M5

2 柔性附著布置方案確定方法

基于以上有限元模型建立原理，首先，柔性附著布置方案應(yīng)當確定冷卻塔的幾何尺寸、塔吊的柔性附著參數(shù)，尤其是根據(jù)塔機的自身穩(wěn)定要求確定柔性附著張拉力大小及其同張拉間距的關(guān)系。其次，建立施工期冷卻塔有限元分析模型。通常大型冷卻塔塔筒由下至上翻模或者滑模施工，可以提取3～5個施工高度模型，尤其喉部模型（通常受力最不利）一定要包含其中。最后，確定初始的柔性附著整體方案S1?？梢运仓行淖鳛楦街贾弥行?，給出初始整體豎向及橫向布置S1。其中，橫向（平面）布置應(yīng)保證對稱，塔筒受力對稱；豎向布置間距保持在20～40m范圍，同時施加相應(yīng)的張拉力，以此計算得到各個施工高度的冷卻塔模型（M1～M5）初始受力情況。對于應(yīng)力集中模型，應(yīng)調(diào)整附著力大小以及附著間距，變形較大節(jié)段還應(yīng)該調(diào)整施工節(jié)奏，延長混凝土齡期以保障塔筒結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合塔機柔性附著參數(shù)，可依據(jù)調(diào)整后的模型進行重新分析，確保各個高度施工模型受力的合理性，并最終確定最佳布置方案。具體步驟如圖3所示。

3 實例分析

基于以上分析方法，以某電廠初步設(shè)計冷卻塔為例，該塔筒施工采用平臂式塔吊，布置于冷卻塔中心，塔吊總高度261.1m，獨立高度（第一道附著高度）為55.1m。從下到上共設(shè)置4～8道附著，附著高度間距為20～45m，每道附著共4組，4個方向，每組附著分為上下2層，每層4個點，共8個點。各個附著點的上下間距和左右間距暫取5m，軟附著每個點荷載考慮不同附著工況取40～80kN。

圖3 柔性附著方案確定步驟

通過初步計算可知，軟附著的存在可能導致施工期塔筒的變形以及應(yīng)力增加達到10%，尤其在最不利的風荷載工況下，柔性附著的存在進一步加大了混凝土拉應(yīng)力，接近甚至超過了施工期混凝土的抗拉強度設(shè)計值，增大了結(jié)構(gòu)開裂的可能性。通過不斷的試算以及模型調(diào)整，最終確定的合理布置方式如圖4、圖5所示，其中附著間距為33m，對應(yīng)附著力大小為60kN。該方案可以有效降低各個模型塔筒應(yīng)力集中程度，同時附著的間距較為合理，避免施工難度加大，施工周期加長，并可依據(jù)此模型計算結(jié)果再進行局部受力分析，確定細部布置以及加固方案。

圖4 柔性附著方案平面圖（標高單位：m；結(jié)構(gòu)尺寸單位：mm）

圖5 柔性附著平面圖（標高單位：m；結(jié)構(gòu)尺寸單位：mm）

4 結(jié)束語

（1）基于塔筒的施工期結(jié)構(gòu)安全，柔性附著在保障塔吊自身的穩(wěn)定性的同時，對于施工期塔筒的受力影響在風荷載等外力疊加下較為明顯，部分塔筒應(yīng)力變形增加可達10%以上。（2）柔性附著布置方案受到施工期混凝土模型、施工期荷載、附著點間距、附著高度、附著力大小等影響因素，其中附著力大小影響較為突出。（3）以保障施工塔筒安全為目標，可通過輸入柔性附著初設(shè)豎向以及橫向布置方案S1，計算得到不同高度的塔筒模型初始受力情況。為降低塔筒應(yīng)力集中程度，結(jié)合附著力和附著間距的關(guān)系，可通過不斷調(diào)整模型優(yōu)化S1，最終確定最合理布置方案，可以此計算結(jié)果作為局部加固方案依據(jù)。