大型鋼結(jié)構(gòu)間冷塔錐段施工技術(shù)

蔣玲玲

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

陜能麟游鋼結(jié)構(gòu)間冷塔鋼結(jié)構(gòu)工程位于陜西省寶雞市麟游縣，是世界首座“煙塔合一”鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，首次采用了鋁蒙皮內(nèi)側(cè)布置方式。鋼結(jié)構(gòu)間冷塔主要由下部錐體、圓筒塔體、外部加強(qiáng)環(huán)、展開平臺(tái)、上塔爬梯、內(nèi)側(cè)檁條及鋁蒙皮等部分組成（圖1）。其中下部錐段呈向內(nèi)傾斜的圓錐臺(tái)殼狀，其底部直徑為147.5 m，頂部直徑為98.5 m，高55.0 m，結(jié)構(gòu)厚1.0 m，與水平面夾角為66.0°。

圖1 間冷塔立面示意

工程所在地夏季最高氣溫可達(dá)35 ℃左右，冬季最低氣溫可達(dá)－20 ℃左右，年平均降水量619.1 mm，呈單峰型，主要集中在5—10月。場區(qū)表層覆蓋深逾10 m的濕陷性黃土，在雨水浸潤后呈現(xiàn)軟黏狀態(tài)，易發(fā)生下沉變形，施工環(huán)境不甚理想。

2 無調(diào)控裝置的錐段結(jié)構(gòu)受力分析

錐段結(jié)構(gòu)因其較大的傾斜構(gòu)型，在結(jié)構(gòu)未成環(huán)階段受自重和風(fēng)載等作用，將產(chǎn)生不可逆或可逆的變形與附加應(yīng)力，為評(píng)估此性狀，以最不利的P5層錐段結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行不考慮任何調(diào)控措施下的受力分析。分析考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載作用，其中結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際深化質(zhì)量換算為桿件線荷載進(jìn)行施加。風(fēng)荷載按基本風(fēng)載0.20 kN/m2計(jì)，迎風(fēng)面積為整個(gè)鋁蒙皮板面積，體型系數(shù)取1.30，并同樣等效為桿件線荷載進(jìn)行施加。具體分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在不考慮調(diào)控措施下，錐段P5層結(jié)構(gòu)在自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下將產(chǎn)生3 cm的豎向變形及近7 cm的徑向位移，既無法滿足設(shè)計(jì)文件要求的容許安裝誤差值，又將產(chǎn)生130 MPa左右的附加應(yīng)力，嚴(yán)重影響錐段結(jié)構(gòu)的成環(huán)質(zhì)量，并給后續(xù)施工及投產(chǎn)使用埋下難以估量的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不考慮調(diào)控措施的錐段P5層結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

同時(shí)，考慮與風(fēng)載的基本組合，其最大應(yīng)力將達(dá)到307 MPa，已超過鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，存在倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，錐段施工必須采用調(diào)控裝置來有效控制自重下結(jié)構(gòu)的下?lián)献冃魏透郊討?yīng)力，并防止風(fēng)載下結(jié)構(gòu)的倒塌傾向。

國外既有施工方法采用可移動(dòng)剛性支撐架作為間冷塔錐段結(jié)構(gòu)的調(diào)整和臨時(shí)支撐裝置。可移動(dòng)支撐架體型龐大，造價(jià)較高，因此數(shù)量一般僅為1～2個(gè)，所以該方法僅能保證錐段結(jié)構(gòu)吊裝單元未焊接前的穩(wěn)定，待焊接完成后即需移走以用于后續(xù)吊裝單元的調(diào)整和就位。可見，按國外施工方法無法滿足前文要求。

此外，本工程場地表層覆蓋深厚的濕陷性黃土，受雨水浸潤后將嚴(yán)重影響車輛開行，且易產(chǎn)生較大的下沉變形，因此移動(dòng)式剛性支撐架難以適用于本工程。綜上，如何結(jié)合本工程氣候、地質(zhì)特點(diǎn)，研制適宜得當(dāng)?shù)腻F段結(jié)構(gòu)施工工藝和裝備，實(shí)現(xiàn)高、重、傾錐段結(jié)構(gòu)吊裝單元的精確就位，保證其未成環(huán)階段的穩(wěn)定性和控制其下?lián)献冃危袑?shí)提高錐段結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，是本間冷塔工程建設(shè)的一項(xiàng)重、難點(diǎn)[1-8]。

3 大型間冷塔錐段施工技術(shù)

3.1錐段施工總體方案

錐段結(jié)構(gòu)總高50 m，最大吊裝單元長15.1 m，質(zhì)量約12.4 t。按其吊重和吊裝高度，大型汽車吊、履帶吊和塔吊均可滿足吊裝性能要求?？紤]到汽車吊施工效率低下，固定式塔吊難以完全覆蓋錐段結(jié)構(gòu)，移動(dòng)式塔吊需對(duì)大面積濕陷性黃土進(jìn)行加固與表層硬化等處理，代價(jià)昂貴，因此本工程同國外間冷塔一致，采用履帶式起重機(jī)作為錐段結(jié)構(gòu)主起重設(shè)備。具體為：在間冷塔內(nèi)布置1臺(tái)150 t履帶吊，在間冷塔外布置1臺(tái)200 t履帶吊。

考慮到濕陷性黃土給剛性支撐帶來的下沉隱患，本工程研制了預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置，既可滿足吊裝單元的精調(diào)作業(yè)，又可控制未成環(huán)階段結(jié)構(gòu)的下?lián)献冃?。通過對(duì)錐段結(jié)構(gòu)施工過程的系統(tǒng)分析，制訂了詳實(shí)的錐段結(jié)構(gòu)施工流程，明確了預(yù)應(yīng)力纜索調(diào)控裝置的翻拆規(guī)則，在保證錐段結(jié)構(gòu)成環(huán)精度和質(zhì)量的前提下力求調(diào)控裝置投入的最少化，降低施工成本投入。此外，制訂了每層結(jié)構(gòu)起始必須同時(shí)完成2片吊裝單元的焊接作業(yè)后，方可松鉤，以形成較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高安全性的施工要求。

具體錐段結(jié)構(gòu)的高空安裝工序如下（圖3）：安裝1#～2#三角架并拉纜索固定→依次安裝3#～8#三角架，設(shè)置纜索固定；依次完成1#～6#三角架連接節(jié)點(diǎn)的焊接工作→安裝9#～10#三角架，設(shè)置纜索固定；完成7#～8#三角架連接節(jié)點(diǎn)的焊接工作；此后拆除1#與2#間連接節(jié)點(diǎn)處的纜索→安裝11#～12#三角架，設(shè)置纜索固定；完成9#～10#三角架連接節(jié)點(diǎn)的焊接工作；此后拆除1#與3#間連接節(jié)點(diǎn)、2#與4#間連接節(jié)點(diǎn)處的纜索→依此類推，完成P2層所有三角架的安裝工作；完成所有連接節(jié)點(diǎn)的焊接工作→拆除剩余纜索，同前流程依次進(jìn)行其余層錐段結(jié)構(gòu)安裝。

圖3 間冷塔錐段安裝示意

3.2預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置

如前文所述，為規(guī)避深厚黃土受雨水浸潤后出現(xiàn)較大下沉變形而使剛性支撐作用弱化的問題，提出采用預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置來調(diào)整和控制錐段結(jié)構(gòu)吊裝單元的位置。預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置為“纜索＋手拉葫蘆＋地錨”的組合裝備。纜索地錨點(diǎn)位于間冷塔塔底埋件中心外延約15 m處（外延越遠(yuǎn)對(duì)纜索受力越優(yōu)，本項(xiàng)目受場地限制僅可外延15 m）。

地錨可采用鋼管樁、配重塊等形式，本項(xiàng)目綜合考慮現(xiàn)場施工設(shè)備及埋置管線等情況，采用淺埋于地表的混凝土墩作為地錨件。通過考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載組合作用的受力分析，確定混凝土墩的自重和埋置深度需求，以及纜索與手拉葫蘆等的規(guī)格。具體為：混凝土墩自重18 t，埋置深度1.0 m；纜索采用φ22 mm鋼絲繩，按3.5倍安全系數(shù)，單根可承受拉力8 t；纜索接10 t手拉葫蘆供調(diào)節(jié)和施加預(yù)應(yīng)力；纜索與混凝土墩的連接、纜索與三角架的連接均采用耳板＋卸甲的形式（圖4）。

圖4 預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置

綜上，預(yù)應(yīng)力纜索成套調(diào)控裝置具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1）作業(yè)人員站立于地面即可完成對(duì)吊裝單元的精調(diào)作業(yè)，操作簡便，作業(yè)更安全。

2）纜索、手拉葫蘆等配件自重輕，體積小，便于拆裝翻轉(zhuǎn)使用。

3）采用淺埋的重力式混凝土墩作為地錨，制作簡單，對(duì)下埋管線幾乎無干擾，且抗拔力穩(wěn)定可靠。

預(yù)應(yīng)力纜索長度長，截面小，則軸向抗拉剛度不大，因此混凝土墩地錨稍有下沉變形對(duì)纜索軸拉力影響不大（按理論計(jì)算，下沉50 mm，纜索軸力增加值在13 kN左右），由此不會(huì)致使整套裝置存在不可估量的風(fēng)險(xiǎn)，而且稍稍增大的纜索受力更利于對(duì)抗吊裝單元的自重荷載。

4 間冷塔錐段結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

4.1纜索內(nèi)力設(shè)計(jì)值確定

以最為不利的P5層錐段結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。

1）荷載。第5層結(jié)構(gòu)自重與第2節(jié)一致，等效為桿件線荷載予以考慮；風(fēng)荷載同第2節(jié)一致取值，并等效為桿件線荷載予以考慮；纜索：設(shè)置預(yù)拉力以保證結(jié)構(gòu)在自重作用下變形幾乎為0。

2）分析結(jié)果。建立相應(yīng)的模型進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，增設(shè)預(yù)應(yīng)力纜索后，在自重與風(fēng)載作用下，鋼塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為122.0 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)可保證安全與穩(wěn)定；P5層纜索承受的最大拉力設(shè)計(jì)值為78.9 kN（中間節(jié)點(diǎn)151.7 kN拉力由2根纜索共同承擔(dān)）。

4.2混凝土墩受力校核

1）混凝土墩抗拉起校核。P5層纜索的受力最大，為78.9 kN（按80 kN考慮），與地面夾角為54.7°，則產(chǎn)生的最大豎向分力為65.3 kN，產(chǎn)生的最大水平分力為46.2 kN。一個(gè)混凝土墩設(shè)置2根纜索錨固點(diǎn)，則其承受的總豎向力為65.3 kN×2＝130.6 kN＜180 kN，說明混凝土墩質(zhì)量滿足抗拉起要求。

2）混凝土墩抗滑移校核?；炷炼諅鬟f水平力（46.2 kN×2＝92.4 kN）于前側(cè)土體，相當(dāng)于混凝土墩承受被動(dòng)土壓力，應(yīng)用朗肯土壓力理論進(jìn)行土體強(qiáng)度計(jì)算，且不考慮墩壁與土體間內(nèi)摩擦角的有利作用。根據(jù)廠區(qū)地質(zhì)資料報(bào)告，素填土容重15 kN/m3，最小黏聚力為23 kN/m2，最小內(nèi)摩擦角為16.9°，被動(dòng)壓力系數(shù)為tan2（45°＋16.9°/2）＝1.82，埋深1 m，則被動(dòng)土壓力值為75.7 kN/m，混凝土墩寬2.44 m，則土體可承受的最大水平力為184.7 kN＞92.4 kN，說明混凝土墩抗滑移滿足要求。

3）混凝土墩內(nèi)置預(yù)埋件強(qiáng)度校核。單個(gè)混凝土墩內(nèi)置預(yù)埋件除承受豎向和水平分力外，還將因耳板的高度而產(chǎn)生相應(yīng)的彎矩3.70 kN·m，則預(yù)埋件所需的錨筋總截面面積應(yīng)不小于595 mm2。選用8φ18 mm的HRB400級(jí)鋼筋，總錨筋截面面積為2 035 mm2，滿足要求。

4.3纜索拆翻全過程施工分析

對(duì)最不利的P5層施工進(jìn)行過程分析，荷載取值同4.1節(jié)一致。選取幾個(gè)典型的纜索拆除階段進(jìn)行分析。經(jīng)分析，間冷塔鋼結(jié)構(gòu)在自重和風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，纜索拆除最不利工序?yàn)椴鸪?根纜索階段，其最大應(yīng)力值為78.6 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此主結(jié)構(gòu)可保證安全與穩(wěn)定。按此工序拆翻纜索，最終成環(huán)狀態(tài)的最大變形僅13 mm，再考慮適當(dāng)?shù)念A(yù)變形，可顯著提高錐段結(jié)構(gòu)的成環(huán)質(zhì)量。

5 結(jié)語

陜能麟游鋼結(jié)構(gòu)間冷塔錐段施工技術(shù)，不僅使錐段結(jié)構(gòu)精調(diào)更易操作和安全，也有效控制了未成環(huán)階段結(jié)構(gòu)在自重作用下的下?lián)献冃?，保證了未成環(huán)階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度以及最終的成環(huán)質(zhì)量。本文所述施工方法較好地解決了錐段結(jié)構(gòu)的安裝難題，可供其他類似工程借鑒。