大型鋼結(jié)構(gòu)間冷塔展開平臺(tái)施工技術(shù)

周 銘

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程資料

1.1 工程概況

陜能麟游鋼結(jié)構(gòu)間冷塔項(xiàng)目位于陜西省寶雞市麟游縣兩亭鎮(zhèn)園子坪村，西靠S210省道，東鄰天堂河。項(xiàng)目位于凹地，四面高坡，距離甘肅省靈臺(tái)縣20 km，距離陜西省寶雞市100 km。

間冷塔為純鋼結(jié)構(gòu)，底部為錐體，上部為圓柱塔體，塔體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)通過預(yù)埋件進(jìn)行連接[1-5]。間冷塔主要包括6個(gè)部分：下部錐體底部直徑為147.5 m，高度55.0 m；圓柱塔體直徑98.5 m，高度114.5 m；加強(qiáng)環(huán)共4道；展開平臺(tái)環(huán)繞錐段第2、3層；檁條及鋁蒙皮布設(shè)于第4層至塔頂以及展開平臺(tái)；上塔爬梯從展開平臺(tái)延伸至塔頂（圖1）。

1.2 間冷塔

間冷塔是用水作為循環(huán)冷卻劑，從系統(tǒng)中吸收熱量排放至大氣中，以降低水溫的裝置；其冷卻原理是利用水與空氣流動(dòng)接觸后進(jìn)行冷熱交換產(chǎn)生蒸汽，蒸汽揮發(fā)帶走熱量達(dá)到蒸發(fā)散熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱，從而降低水溫，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，裝置一般為桶狀。

圖1 間冷塔結(jié)構(gòu)

本工程間冷塔采用蒙皮內(nèi)置結(jié)構(gòu)形式，即鋼構(gòu)件在外，蒙皮在內(nèi)，此種形式在世界上暫未看到相關(guān)應(yīng)用的案例。這種結(jié)構(gòu)形式能把煙氣和鋼構(gòu)件完全隔離開，杜絕了煙氣對(duì)鋼構(gòu)件的腐蝕，保證了鋼塔在整個(gè)服役期間的安全性和穩(wěn)定性。

1.3 展開平臺(tái)

間冷塔展開平臺(tái)從3層水平橫桿處外伸，撐至1層水平橫桿處，整體寬度約18.5 m，整體高度約24.0 m。展開平臺(tái)共包括33個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元、1個(gè)爬梯處特殊單元和1個(gè)煙道處特殊單元（圖2）。展開平臺(tái)由桁架結(jié)構(gòu)、斜立柱、檁條、隅撐、拉條、天溝及外覆鋁蒙皮等組成。桁架結(jié)構(gòu)高1.92 m，長(zhǎng)18.50 m；煙道處展開平臺(tái)最大，寬26.10 m，長(zhǎng)18.50 m，下?lián)螚U長(zhǎng)17.93 m，總質(zhì)量24.8 t。

鋁蒙皮厚度2 mm依靠自攻螺釘固定在檁條上。展開平臺(tái)鋁蒙皮總面積7 020 m2，總質(zhì)量64.4 t。

圖2 展開平臺(tái)示意

2 展開平臺(tái)地面拼裝技術(shù)

2.1 地面拼裝

安裝地面組拼展開平臺(tái)，展開平臺(tái)在胎架上進(jìn)行組對(duì)、拼裝。拼裝胎架要求場(chǎng)地平整度較好，鋪設(shè)型鋼作為基礎(chǔ)，在型鋼上根據(jù)展開平臺(tái)不同位置、不同坐標(biāo)設(shè)置型鋼支撐點(diǎn)。首先根據(jù)展開平臺(tái)關(guān)鍵點(diǎn)局部坐標(biāo)確定桁架結(jié)構(gòu)、斜立柱位置，將桁架結(jié)構(gòu)、斜立柱拼裝到位并微調(diào)；然后利用工裝件安裝檁條、隅撐等桁架之間的構(gòu)件，調(diào)整到位后完成焊接工作；再安裝拉條，并利用花籃螺栓拉緊拉條；之后安裝天溝；最后安裝外覆鋁蒙皮，形成一個(gè)模塊化單元板塊。

胎架拼裝場(chǎng)地需平整壓實(shí)，胎架拼裝要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，滿足拼裝要求，地面拼裝按照拼裝精度要求控制，根據(jù)圖紙中三角支架關(guān)鍵點(diǎn)局部坐標(biāo)進(jìn)行拼裝，局部拼裝節(jié)點(diǎn)結(jié)合模型進(jìn)行控制。

2.2 拼裝單元控制點(diǎn)坐標(biāo)

間冷塔展開平臺(tái)外觀為一個(gè)環(huán)形，整體吊裝難度大，故現(xiàn)場(chǎng)拆分成33個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元、1個(gè)爬梯處特殊單元和1個(gè)煙道處特殊單元。單元板塊地面拼裝成形，高空吊裝。

地面拼裝時(shí)，模型中調(diào)整展開平臺(tái)狀態(tài)至水平，桁架結(jié)構(gòu)下弦桿為水平參照桿件，由此取得展開平臺(tái)單元板塊其余位置的三維坐標(biāo)，利用三維坐標(biāo)體系空間定位每根構(gòu)件的相對(duì)位置，指導(dǎo)地面拼裝，保證高空安裝的精確度。

地面拼裝重點(diǎn)有以下兩個(gè)：一是控制桁架結(jié)構(gòu)位置，保證桁架銷軸與塔體結(jié)構(gòu)的精確對(duì)接；二是控制拼裝單元的外圍尺寸，保證拼裝單元之間的高空精確對(duì)接。

3 展開平臺(tái)高空安裝技術(shù)

3.1 展開平臺(tái)安裝技術(shù)

展開平臺(tái)在R1加強(qiáng)環(huán)完成后開始安裝，采用200 t履帶吊吊裝，先將展開平臺(tái)單元地面拼裝在一起，整體吊裝，展開平臺(tái)桁架采用四點(diǎn)吊裝，確保吊裝過程中構(gòu)件不因自重作用而變形。吊裝完成后拉纜風(fēng)繩固定，然后進(jìn)行展開平臺(tái)單元之間的連接補(bǔ)缺工作，完成一跨的所有安裝工作后，再進(jìn)行下一跨的安裝，逐跨進(jìn)行。

展開平臺(tái)安裝流程主要分為地面拼裝、高空吊裝、連接補(bǔ)缺等步驟。

1）地面拼裝展開平臺(tái)單元。

2）吊裝組合構(gòu)件，并拉纜風(fēng)繩固定角度。

3）安裝組合構(gòu)件，并拉纜風(fēng)繩固定。

4）進(jìn)行展開平臺(tái)單元之間的連接補(bǔ)缺工作。

5）完成一跨展開平臺(tái)全部安裝工作，進(jìn)行下一跨展開平臺(tái)安裝，逐跨完成。

6）完成所有展開平臺(tái)的安裝工作，并完成所有節(jié)點(diǎn)的焊接工作，拆除纜風(fēng)繩。

3.2 高空控制點(diǎn)坐標(biāo)

為滿足間冷塔鋼結(jié)構(gòu)定位需要，需構(gòu)建穩(wěn)固的鋼結(jié)構(gòu)專用平面控制網(wǎng)，選擇控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)選擇穩(wěn)定的不受施工影響的地點(diǎn)，同時(shí)考慮今后使用方便及通視問題。

采用內(nèi)控及外控相結(jié)合的策略解決間冷塔鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量定位問題。因此，利用基礎(chǔ)施工方提供的基準(zhǔn)點(diǎn)，在間冷塔外圍利用全站儀布設(shè)鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量外部控制網(wǎng)點(diǎn)，同時(shí)在間冷塔內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)上布設(shè)4個(gè)內(nèi)部測(cè)量控制點(diǎn)。不論是外部點(diǎn)還是內(nèi)部點(diǎn)，都要確保相互間通視，便于相互校核。

控制網(wǎng)須精確觀測(cè)嚴(yán)密平差后方可使用，控制點(diǎn)觀測(cè)墩采用強(qiáng)制歸心形式，減少對(duì)點(diǎn)誤差。

展開平臺(tái)僅一層，但外部懸挑較大，標(biāo)高控制主要測(cè)量和控制各預(yù)拼單元的懸挑端頂標(biāo)高，由于構(gòu)件自重下?lián)稀⒒A(chǔ)沉降及鋼材線脹變形等的綜合影響，實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高差會(huì)有偏差，因此采用上拉下?lián)蔚男问揭员ＷC達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4 蒙皮補(bǔ)缺技術(shù)

4.1 補(bǔ)缺鋼掛籃安裝

補(bǔ)缺鋼掛籃長(zhǎng)約21 m，總質(zhì)量約1.3 t，上端通過L形勾頭構(gòu)造掛置于P3層水平橫桿的下弦桿內(nèi)，下端通過三角形支架擱置于天溝上（圖3）。

補(bǔ)缺鋼掛籃選用2臺(tái)50 t汽車吊雙機(jī)抬吊配合安裝。

主吊50 t汽車吊在主臂36.0 m吊裝半徑18 m時(shí)，其最大起重量為3.3 t，可滿足單獨(dú)吊裝鋼掛籃要求。副吊50 t汽車吊在主臂40.1 m吊裝半徑14 m時(shí)，其最大起重量為4.6 t，可滿足單獨(dú)吊裝鋼掛籃要求。因此上述配置可滿足雙機(jī)抬吊性能要求。

鋼掛籃的具體安裝流程如下。

1）在地面按圖紙要求將鋼掛籃拼裝并完成焊接，底面滿鋪?zhàn)叩腊濉?/p>

2）在掛籃中部設(shè)置主吊點(diǎn)（圖4），吊點(diǎn)通過卸甲和吊帶扣于主吊的小鉤上。

3）在掛籃最下端設(shè)置副吊點(diǎn)，通過卸甲和吊帶扣于副吊上。

圖3 補(bǔ)缺鋼掛籃立面示意

圖4 補(bǔ)缺鋼掛籃吊點(diǎn)示意

4）主吊點(diǎn)汽車吊緩慢起勾（副吊點(diǎn)跟隨起勾），緩慢回轉(zhuǎn)，將鋼掛籃上端臨時(shí)擱置于P3層下弦桿處。

5）主副吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換，副吊點(diǎn)緩慢起鉤，使鋼絲繩受力，主吊點(diǎn)吊機(jī)鋼絲繩放長(zhǎng)，逐漸不受力；在此期間，高空起重工需注意觀測(cè)吊機(jī)主臂位置，防止主臂碰撞展開平臺(tái)鋁蒙皮。

6）副吊點(diǎn)緩慢起勾，將掛籃下端三角支架連接螺孔提至高過天溝。

7）安裝三角支架，完成后，主副吊點(diǎn)松鉤，掛籃安裝完成。

8）補(bǔ)缺鋼掛籃的拆除與安裝的流程相反。

4.2 鋁蒙皮高空補(bǔ)缺

將展開平臺(tái)豎縫的補(bǔ)缺鋁板散件吊裝至展開平臺(tái)上，施工人員站立于展開平臺(tái)鋁蒙皮上和鋼掛籃內(nèi)，將補(bǔ)缺鋁板安裝到位。補(bǔ)缺鋁板的布置位置及螺栓排布同地面展開平臺(tái)豎縫的布置完全一致。擰緊螺栓后應(yīng)檢查鋁蒙皮補(bǔ)缺處是否存在漏風(fēng)漏光的現(xiàn)象。若存在，用密封膠進(jìn)行封閉。

4.3 鋼掛籃受力分析

鋼掛籃存在兩個(gè)最不利受力狀況，其一為僅主吊點(diǎn)受力起吊狀態(tài)，其二為鋼掛籃安裝就位狀態(tài)。僅主吊點(diǎn)受力起吊的狀態(tài)僅包括結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，但需考慮動(dòng)力系數(shù)；鋼掛籃安裝就位狀態(tài)除結(jié)構(gòu)自重外，還需承受施工荷載（施工人員重量）。現(xiàn)針對(duì)該兩種狀態(tài)分別進(jìn)行分析。

4.3.1 僅主吊點(diǎn)受力起吊

恒載（DL1）為鋼掛籃結(jié)構(gòu)自重和走道板自重之和，考慮動(dòng)力系數(shù)1.40，荷載組合為1.20×1.40×DL1（用于承載力校核）。邊界條件為在主吊點(diǎn)處施加所有平動(dòng)約束（圖5）。

圖5 僅主吊點(diǎn)受力起吊時(shí)的鋼掛籃邊界條件

由有限元分析結(jié)果（圖6）可見，僅主吊點(diǎn)受力起吊時(shí)鋼掛籃設(shè)計(jì)應(yīng)力比最大為0.65，小于1.0，說明結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載力要求且具有較大余量。

4.3.2 鋼掛籃安裝就位狀態(tài)

圖6 僅主吊點(diǎn)受力起吊時(shí)的鋼掛籃有限元分析結(jié)果

恒載（DL2）為鋼掛籃結(jié)構(gòu)自重和走道板自重；活載（LL）為施工人員自重，有限元分析時(shí)采用于掛籃下橫桿施加5個(gè)1 kN的豎向集中荷載模擬。荷載組合為1.20×DL2＋1.40×LL（用于承載力校核）、DL2＋LL（用于變形校核）。邊界條件為在上端勾頭處節(jié)點(diǎn)約束所有平動(dòng)約束，在下端節(jié)點(diǎn)施加z向約束（圖7）。

圖7 鋼掛籃安裝就位狀態(tài)鋼掛籃邊界條件

根據(jù)有限元分析結(jié)果（圖8）可見，鋼掛籃安裝就位狀態(tài)時(shí)鋼掛籃設(shè)計(jì)應(yīng)力比最大為0.66，小于1.0，說明結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載力要求且具有較大余量；鋼掛籃最大變形為26.1 mm，小于容許撓度20 000/400＝50 mm，滿足使用撓度要求。

圖8 鋼掛籃安裝就位狀態(tài)鋼掛籃有限元分析結(jié)果

4.4 天溝受力分析

鋼掛籃傳至天溝（圖9）的豎向作用力設(shè)計(jì)值為V＝6.5 kN，作用點(diǎn)至展開平臺(tái)桁架距離3 m，則產(chǎn)生的最大彎矩為M＝19.5 kN·m。

圖9 天溝截面示意

根據(jù)圖9，直接承受剪力截面面積為Aw＝285 mm×5 mm，承擔(dān)彎矩的最小抗彎截面模量為Wx＝6.453× 105mm3，則最大剪應(yīng)力τ＝V/Aw＝6 500/（285×5）＝4.6 MPa＜fv＝180 MPa；最大正應(yīng)力σ＝M/Wx＝19.5×106/（6.453×105）＝30.2 MPa＜fd＝310 MPa。

天溝滿足承載力要求，且具有較大余量。

5 蒙皮高空補(bǔ)缺其他可行性方案

1）對(duì)方案一進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，將補(bǔ)缺蒙皮與既有蒙皮的連接方式由原設(shè)計(jì)的螺栓連接改為單邊螺栓或鉚釘連接，由此豎縫補(bǔ)缺無需掛籃，僅需站立在蒙皮上即可完成補(bǔ)缺施工。

2）對(duì)方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，P3層主結(jié)構(gòu)橫梁的上表面用鋼板密封，內(nèi)側(cè)蒙皮直接與P3層內(nèi)弦桿連接并用密封膠密封。展開平臺(tái)蒙皮與P3層外弦桿連接并用密封膠密封，可使橫縫補(bǔ)缺工作大大簡(jiǎn)化，且可提高施工質(zhì)量和蒙皮密封性能。

3）方案三對(duì)于場(chǎng)地平整且有硬化處理的施工現(xiàn)場(chǎng)，可考慮采用登高作業(yè)車進(jìn)行蒙皮施工，優(yōu)點(diǎn)就是無需任何掛籃設(shè)計(jì)及安拆作業(yè)，常規(guī)施工。缺點(diǎn)是對(duì)場(chǎng)地平整度要求較高，且作業(yè)工人既要操作登高作業(yè)車又要進(jìn)行蒙皮補(bǔ)缺作業(yè)，施工效率和安全性不如掛籃施工。

6 結(jié)語

陜能麟游間冷塔鋼結(jié)構(gòu)工程間冷塔展開平臺(tái)施工技術(shù)，不僅創(chuàng)新性地解決了間冷塔鋼結(jié)構(gòu)展開平臺(tái)的安裝難度以及安裝精度問題，同時(shí)極大降低了項(xiàng)目成本并且獲得了良好的社會(huì)效益。

目前，本工程已經(jīng)總結(jié)出一套較為完整的間冷塔展開平臺(tái)施工技術(shù)，此種方法能較好地解決類似鋼結(jié)構(gòu)間冷塔工程的展開平臺(tái)安裝難的問題，并能推廣至其他一些類似的鋼結(jié)構(gòu)間冷塔安裝工程。