大型双曲线空冷塔X 支柱群施工技术及应用

2015-03-23陈岳明邢国然

浙江建筑 2015年8期

张谱，陈岳明，王伟，邢国然

ZHANG Pu1，CHEN Yueming2，WANG Wei3，XING Guoran3

(1.招商局地产控股股份有限公司，浙江杭州310012;2.浙江中和建筑设计有限公司，浙江绍兴312000;3.浙江中成建工集团有限公司，浙江绍兴312000)

双曲线空冷塔是大型火电站或核电站的重要组成部分，主要用于冷却循环水，在整个发电站的施工建设中处于关键环节。

传统的双曲线空冷塔采用圆形人字柱支承形式，为了适应更大发电机组容量的要求，双曲线空冷塔塔高及半径随之增大，巨型塔筒靠X 柱支承。X支柱高度高、截面大、环绕筒心排列，在空间上呈双向倾斜，施工难度与质量控制标准是整个工程之最。为解决大型双曲线空冷塔现浇X 支柱群施工难题，确保工程质量和安全，加快施工进度，降低施工成本，系统地研究和编制了一套具有先进性、普及型的施工技术，对我国大型双曲线空冷塔X 支柱群施工具有一定的指导作用。

1 X 支柱群施工技术特点及优势

(1)采用BIM 技术，事先建立三维立体信息化模型，可对空间几何数据精确定位，为钢筋制作、模板加工、模板支撑的力学计算和搭设定位提供精确直观的三维图形，从而简化了技术人员工作强度和降低出错率。

(2)模板支撑采用扣件式钢管脚手架，搭设一种新型的多道同心圆环杆件与等角度辐射杆件呈正交的整体圆环形满堂脚手架作为X 支柱模板支撑体系;其次，根据脚手架承载主次要求，实行主架、副架对应搭设，并针对性地增设斜撑杆件，使传统的满堂脚手架完全适应环绕内倾式X 支柱群的模板支撑要求。施工简便，受力合理，经济美观。

(3)通过合理安排X 支柱平面分区与立面分段流水施工，可提高模板周转使用率，减少模板一次投入量，节省工程造价。

2 工艺原理

采用BIM 技术，建立X 支柱三维立体的数据模型方案。根据数据模型，对X 支柱模板排版进行专项设计，制作X 支柱分段施工的模板，有效控制模板拼缝;同时通过BIM 技术建立的数据模型方案为模板支撑的力学计算和搭设定位提供精确直观的三维图形。

X 支柱模板支撑体系采用整体圆环形满堂脚手架，将环向水平钢管定义为圆环杆件，径向水平钢管定义为辐射杆件，塔筒中心定义为圆心。X 支柱群环绕圆心内倾布置，兼具水平构件和竖向构件的特性。为适应这一特性，平面上将脚手架搭设成多道同心圆环杆件与等角度辐射杆件呈正交形式，辐射杆件均指向圆心;立面上将脚手架搭设成金字塔形并增设斜撑杆件。在X 支柱群施工荷载作用下，整体圆环形满堂脚手架形成了框架承力方式。同时，X 支柱的部分水平力可以通过辐射杆件传递至圆环杆件，合理地将该水平力转化为同心圆环杆件的轴压力，能有效发挥整体圆环形满堂脚手架的拱效应，使周边X 支柱的部分水平力在圆拱内得到平衡，从而形成更加稳固的模板支撑体系。

3 施工工艺流程

X 支柱群环绕塔筒中心排列，分布面积广、体量大，立面高度高、斜率大。为此，X 支柱群平面采用均衡对称分区施工(图1)，X 支柱立面设置水平施工缝分段施工(图2)。

图1 X 支柱群平面分区

图2 X 支柱立面分段

X 支柱BIM 建模流程:熟悉图纸要点→收集数据→建立数据模型→提取模板加工参数→根据数据模型初步确定脚手架搭设方案→模板及支撑力学计算→按力学计算调整数据模型并最后定稿→根据数据模型指导现场脚手架及模板施工。

X 支柱施工工艺流程:脚手架地基处理→测量放线→脚手架搭设→底模安装→钢筋绑扎→侧模与顶模安装(埋件安装)→混凝土浇筑与养护→脚手架拆除。

4 施工要点

4.1 X 支柱BIM 建模

用BIM 建模软件，根据需要，建立X 支柱群整体圆环形满堂脚手架及X 支柱施工的立体数据模型，见图3、图4。

图3 X 支柱群整体圆环形满堂脚手架BIM 建模数据图

图4 X 支柱脚手架定位BIM 建模数据图

4.2 脚手架地基处理

环基、X 支柱支墩及冷却设备平台支撑墙施工完毕后进行砂砾石分层回填，分层厚度200～300 mm，压实系数不小于9. 5，采用小型压路机碾压，压路机施工不到位的部位采用夯土机夯实。

4.3 测量放线

(1)测量方法。依据施工图给定的空间坐标，运用BIM 技术建立的X 支柱三维建模数据，将X 型柱上、下两端中心控制点及柱角部控制点均投影至环基上，结合每段X 支柱的施工高度及距离，计算出柱体定位坐标。

(2)测量流程。BIM 建模数据放样→放出X 支柱的中心控制点和角部控制点→通过倾角计算法进行核算转化成具体的模板加工尺寸→安装模板→对模板水平投影采用线锤或全站仪校核→模板稳固→复测及数据整理→模板偏差修正。

4.4 脚手架搭设

脚手架支模体系是X 支柱现浇的依托，采用φ48 ×3.5 钢管、扣件连接，搭设前应进行设计计算，在各类荷载作用下必须满足整体圆环形满堂脚手架结构强度和稳定性要求。

设计计算采用大型有限元分析软件ANSYS，由于脚手架整体上是框架结构，因此在施工荷载和自重作用下的稳定性问题特别重要。按照弹性稳定性理论，该问题可以简化为求解一定边界条件下的弹性结构的线性稳定性问题。通常在齐次边界条件下，弹性结构的线性稳定问题可以化归为求解临界载荷因子η 的问题，这样就将上述稳定性的问题化归为求解线性特征值的问题。

式中:L—壳体线性平衡方程中的算子;

G—壳体在产生变形U0之后的几何刚度矩阵。

临界载荷因子η 的力学意义就是在小于当前载荷η 倍的时候，结构的稳定性不被破坏，工程上通常要求η ＞5 以保证结构的安全性。本次计算中，我们在施加荷载时对结构的所有荷载均乘以5 倍，因此计算结果的稳定性因子只需要大于1 即可认为结构的稳定性是足够的。有限元模型单榀结构示意见图5。

由于整体圆环形满堂脚手架设置门洞，结构只具有一个对称面，模型简化时只能取半个结构建模，考虑扣件质量及重力荷载作用于每个节点上，荷载施加建模见图6。

脚手架的主架相对副架的立杆间距应加密。主架、副架沿空冷塔环向同步搭设，一次搭设成型。搭设方向由环梁中心半径向两侧分别搭设，相邻两榀环向水平杆连接于同一根立杆上，相邻两榀脚手架搭设高差不超过6 m，不可隔榀搭设。

图5 有限元模型单榀结构示意图

图6 有限元模型荷载施加图

主架立杆径向间距1500 mm，环梁投影区域800 mm，环向间距1076～1403 mm;副架立杆径向间距1800 mm，环向间距849～1076 mm(图7);步距1500 mm［1］。搭设时先按环向水平杆中心线摆放环向水平杆、环向扫地杆，后按立杆位置逐根组装立杆，组装立杆时应设置临时抛杆防止立杆倾倒。立杆搭设完成后搭设径向扫地杆、径向水平杆。径向水平杆搭设在环向水平杆上部。第一步径向及环向水平杆搭设完成后铺设临时脚手片作为第二步水平杆搭设的操作平台。按此方法搭设完成以上各步脚手架的水平杆。剪刀撑设置在纵向、径向以及水平三个方向。为方便塔内外通行，在入口处设置门洞作为进塔通道，门洞两侧采用双立杆，顶棚设置3层双横杆。

脚手架搭设完毕后，在脚手架架体靠近空冷塔中心第一步径向杆伸出端，沿环向均匀布设5 个沉降观测点并用红油漆明显标记，架体搭设到X 支柱浇筑段开始观测，每天观测一次，并形成记录。

4.5 底模安装

待环向脚手架整体搭设完毕，斜撑、剪刀撑、缆风绳加固后，可进行X 支柱底模的安装。先在X 支柱支墩下方放出X 支柱中心线，然后在脚手架上方用全站仪和钢尺分出X 支柱中心线和斜率控制线，上下拉设通线，即可形成X 支柱底模的控制线，由于X 支柱倾斜较大，在铺设X 支柱底模时要考虑起拱。底模安装必须牢固，确保X 支柱浇筑后的整体线条。

图7 整体圆环形满堂脚手架搭设平面图

4.6 钢筋绑扎

X 支柱钢筋分段绑扎施工到顶，在施工X 支柱支墩时，在支墩内预插X 支柱第一段主筋，根据规范要求，错开接头位置，主筋的位置必须准确。钢筋采用钢筋场制作，现场绑扎成形，主筋接头全部采用直螺纹连接。绑扎箍筋时应先在主筋上标出箍筋间距线，将箍筋从主筋顶部套入并摆放好位置后与主筋绑扎牢固，当箍筋绑扎至最短主筋标高后接长主筋。主筋接长采用Ⅱ级直螺纹连接，每500 个螺纹接头为一个检验批，经外观检查合格后取样复试。螺纹接头应相互错开，接头率不大于50%［2］。箍筋扎丝头压入钢筋笼内，钢筋绑扎完成后垫好控制钢筋保护层厚度的垫块。

4.7 埋件安装

将预埋件在模板上安装就位，在埋件与模板对应位置钻Φ6 孔(防止表面出现毛刺)，安装时用M5螺栓穿过埋件及模板进行紧固。待混凝土拆模后卸去螺帽重复使用，用手提砂轮磨光机将螺栓切除并磨平。对于面层大的埋件，为使混凝土浇灌密实，应在预埋件中间适当开设排气孔。埋件与模板接触四周设置黏胶条，防止混凝土浇筑过程中漏浆污染埋件表面。

4.8 侧模、顶模安装

X 支柱钢筋隐蔽工程验收完毕后，开始安装侧模及顶模。采用M16 对拉螺栓及双钢管柱箍加固。1000 mm 柱宽面中间设置1 根对拉螺栓，两侧设置2 根对拉螺栓;1700 mm 柱宽面中间设置2 根对拉螺栓，两侧设置2 根对拉螺栓。对拉螺栓应纵横成线，间距均匀，对称布置，宜能周转使用(图8)。柱箍间距500 mm。模板表面涂隔离剂，板缝隙粘贴海绵胶条放止漏浆。对拉螺栓套入PVC 管，拆模后抽出对拉螺栓，采用专业砂浆、专用工具封堵螺栓孔。使封堵的孔眼直径和深度一致。

图8 X 支柱单肢模板拼装图

4.9 混凝土的浇筑与养护

混凝土搅拌出机后由混凝土罐车运输到施工现场，X 支柱混凝土采用汽车泵输送入模。汽车泵泵管插入X 支柱模板中心设置的混凝土串筒内，串筒随混凝土浇筑高度向上提升，始终保持混凝土自落高度不超过2 m。同一施工段的X 支柱的两肢单柱同时浇筑，浇筑高差≤500 mm，每层浇筑厚度控制在300～500 mm 之间。X 支柱内配置6 台12 m 长插入式振捣器，X 模板封闭前，在箍筋内由底部向上拉设6 条等间距的8#铁丝线作为振捣棒定位轨道，防止漏振。振捣要求快插慢拔，混凝土表面无气泡冒出，不再有明显下沉，振捣时间控制在20～30 s。振捣间距不大于300 mm，振捣棒插入下层混凝土大于50 mm［3］。X 支柱模板拆除后用塑料薄膜覆盖保湿养护，始终保持混凝土表面湿润，养护时间不少于14 d。

4.10 脚手架拆除

脚手架拆除与搭设步骤相反，从上至下逐层拆卸，严禁上下同时作业。脚手架按每榀单独进场拆除，拆除时每相邻两榀高差不大于两步。拆除作业面要铺好脚手板，脚手板随拆随移。斜撑、剪刀撑与脚手架同时拆除，拆除后的钢管及扣件暂时码放在拆除脚手架平面上，然后吊运到地面。

5 质量控制要求

(1)钢管表面应平直光滑，严禁使用带裂缝、结疤、分层、错位、硬弯、毛刺、压痕和深滑道的钢管。钢管允许偏差:外径-0.5 mm，壁厚-0.45 mm，外表面锈蚀深度≤0.5 mm，立杆弯曲≤20 mm，水平杆弯曲≤30 mm。

(2)扣件应有法定检查单位的测试报告和质量合格证。扣件应在螺栓拧紧力矩达65 N·m 时不得发生破坏。有裂纹、变形的扣件严禁使用。

(3)预埋件制作时，锚板与锚筋焊接尽可能减少变形，锚筋隔点焊且烧焊速度不能过快，避免温度应力过大、过快。对焊接中无法避免的变形，安装前加以校正，确保埋件表面平整。

6 安全措施

(1)架子工必须持证上岗，施工层应搭设专门的存料平台，严禁随意堆放，高处传递杆件和扣件要使用绳索、工具袋。

(2)搭设脚手架必须同时搭设人员上下通道，高处作业人员必须将安全带栓挂在上方牢固可靠处，严禁高处作业人员站在栏杆外工作或骑坐栏杆上施工。

7 应用实况

华能轮台电厂2 ×350MW 热电联厂工程位于新疆维吾尔自治区巴州轮台县拉依苏工业区。本工程双曲线钢筋混凝土空冷塔塔高171 m，塔筒采用50 对X 支柱支承，X 支柱斜长31. 8 m，倾角73.5°，单肢截面1700 mm ×1000 mm，X 支柱±0.000 m中心半径76. 957 m。工程于2013年10月开工，2014年9月完工。现场施工实景见图9～11。