冷却塔下环梁及X柱施工支撑脚手架结构有限元分析

2018-05-09张卫星胡宗军

水利与建筑工程学报 2018年2期

徐亮，张卫星，胡宗军

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.中国能源建设集团安徽电力建设第二工程公司，安徽合肥 230031)

冷却塔是火力发电厂循环水的冷却设备，多为自然通风双曲线型钢筋混凝土现浇结构，主要由环形基础、斜支柱、通风筒、集水池和淋水构件组成[1]。环梁以及其下部斜柱是冷却塔结构受力的关键部位之一，传承着整个筒壁的载荷。斜支柱在空间中呈双向倾斜，工艺质量要求高，施工难度与质量控制标准是整个工程的难点和重点[2-3]。环梁及支柱施工方法众多，如预制支柱吊装无脚手架环梁现浇施工法[4]、满堂脚手架支柱环梁现浇施工法等。在支柱及环梁施工方法选择上，不同的施工方法对于其适用性、经济性、安全性均有不同影响[5-9]。特别在“11.24”江西丰城电厂冷却塔施工特大安全事故后[10-12]，冷却塔施工安全更为人们所重视[13-14]。

本文以京能五间房电厂一期2×660 MW机组工程接空冷却塔下环梁及X柱脚手架支撑结构为研究对象，针对两种不同设计施工方案进行有限元分析，并从多个方面对两种方案进行对比，研究结论为国内该类型支撑脚手架结构的设计、搭设和应用提供有益参考。

1 支撑脚手架搭设方案

本工程冷却塔塔体为双曲线钢筋混凝土薄壳结构，筒壁支撑结构为44组分段现浇钢筋混凝土结构X柱，结构尺寸为1.15 m×1.75 m。X柱底标高为±0 m其中心半径70 m，下环梁中心标高为31.5 m，中心半径60.708 m，环梁底宽度1.9 m，第一节环梁浇筑高度1.3 m。冷却塔X柱及环梁施工均采取应用Ф48.3×3.6钢管搭设扣件式钢管脚手架的施工方法。脚手架设计如下两种搭设方案：

(1) 方案1。脚手架设计为环形(封圈型脚手架)，按照区域设置44个相同的单元，整体呈满堂阶梯型布置，搭设总高度36 m、宽度35.2 m，立杆径向间距1.1 m和1.5 m、环向间距0.68 m～1.20 m(环梁底加密区立杆间距为0.5 m×1.0 m共5排)，水平杆层间间距为1.5 m。沿圆周方向布置四圈环向剪刀撑到顶，径向方向每两个相同单元相交处设置三道径向剪刀撑到顶，水平剪刀撑分别于标高-1.9 m、5.6 m、13.1 m、20.6 m、28.1 m处布置五层。X柱分4段施工，分别于9.00 m、16.98 m、24.81 m、31.50 m处留设浇筑点，最后浇筑下环梁。由于结构轴对称，取一基本扇区(整体环形结构的四十四分之一)，结构具体形式如图1所示。

(2) 方案2。脚手架搭设成环形满堂式，搭设总高度34 m、宽度27 m，其中环梁及X柱投影下满堂搭设12排脚手架，其后脚手架沿径向搭设4列。满堂脚手架立杆径向间距1.2 m和1.5 m，环向间距0.860 m～1.385 m(环梁底加密区立杆间距为0.60 m×1.25 m共5排)，水平杆层间间距为1.4 m。沿圆周方向分别于第1排第4排第8排第10排布置四圈环向剪刀撑到顶，径向方向设置三道径向剪刀撑到顶，水平剪刀撑沿高度方向每6 m布置一道共计6道。X柱分4段施工，分别于7.8 m、15.6 m、25.6 m、31.5 m处留设浇筑点，最后浇筑下环梁。由于结构轴对称，取一基本扇区(整体环形结构的四十四分之一)，结构具体形式如图2所示。

(a) 俯视图(b) 侧视图

图1方案1脚手架结构俯视图与侧视图

2 结构有限元模型

冷却塔下环梁及X柱脚手架支撑结构是一个庞大的空间力系杆件系统，脚手架的钢管采用Ф48.3×3.6钢管，材质均为Q235钢材，弹性模量E=2.06×1011Pa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3。X柱和下环梁模板为木质材料，弹性模量E=0.98×109Pa，密度ρ=0.612×103kg/m3。X柱及环梁为C40混凝土，弹性模量E=3.25×1010Pa，密度ρ=2.4×103kg/m3，泊松比μ=0.2。根据上述两种脚手架搭设方案，运用MIDAS/Civil分别建立两组结构模型，计算在X柱和下环梁浇注施工过程中的两种方案脚手架系统的力学特性。

(a) 俯视图(b) 侧视图

图2方案2脚手架结构俯视图与侧视图

脚手架结构模型所运用单元类型如下：

(1) 立杆用一般梁/变截面梁单元模拟，水平杆、斜杆等均采用桁架单元(杆单元)模拟。

(2) X柱用混凝土实体单元模拟。

(3) X柱及环梁结构模板均用板单元模拟。

有限元模型中整体坐标系为笛卡尔直角坐标系，源点位于冷却塔中轴上，x轴为冷却塔径向，xy平面为水平面，z轴沿重力方向，朝上为正。在立杆底部节点建立局部柱坐标系，x轴为径向，y轴为环向，z轴为轴向。在局部柱坐标系中，基本扇区两排径向边侧的立柱底部节点约束y、z方向2个自由度，其他底部节点仅约束z方向自由度，以此为边界条件进行有限元分析计算。

塔架结构的有限元模型如图3、图4所示。

图3 方案1侧视图与俯视图

图4方案2俯视图与侧视图

3 计算分析

脚手架结构承受荷载包括自重、X柱和环梁重力等。其中，脚手架自重通过MIDAS/Civil中的重力加速度模块予以施加。X柱的混凝土湿重以面荷载的形式施加在X柱模板单元上。环梁混凝土湿重荷载以面荷载的形式施加在环梁模板单元上。

3.1 计算工况

为更加准确地分析模拟X柱和下环梁分段施工过程，本文将支撑脚手架计算分为以下5个施工阶段分别进行计算：

(1) 施工阶段1：施加第一段X柱混凝土湿重荷载时，支撑系统的变形及应力分析。

(2) 施工阶段2：施工阶段1结束后，支撑系统在施工阶段1变形和应力计算结果基础上施加第二段混凝土湿重荷载，计算支撑系统的变形及应力。

(3) 施工阶段3：施工阶段2结束后，支撑系统在施工阶段2变形和应力计算结果基础上施加第三段混凝土湿重荷载，计算支撑系统的变形及应力。此时，第一、二段X柱混凝土凝固，应用实体单元建模，作为结构参与计算。

(4) 施工阶段4：施工阶段3结束后，支撑系统在施工阶段3变形和应力计算结果基础上施加第四段混凝土湿重荷载，计算支撑系统的变形及应力。此时，第一、二、三段X柱混凝土凝固，应用实体单元建模，作为结构参与计算。

(5) 施工阶段5：施工阶段4结束后X柱整体浇注完成，支撑系统在施工阶段4变形和应力计算结果基础上施加环梁混凝土湿重荷载，计算支撑系统的变形及应力。此时，X柱混凝土凝固，应用梁单元建模，作为结构参与计算。

3.2 计算结果

对于两种方案下支撑脚手架结构的5个施工阶段进行有限元分析，位移变形及应力云图如图5～图8所示。

(1) 方案1计算结果

① 位移云图。各施工阶段方案1计算位移云图见图5。

图5方案1各施工阶段位移云图

② 应力云图。各施工阶段方案1计算的应力云图见图6。

图6方案1各施工阶段应力云图

(2) 方案2计算结果

① 位移云图。各施工阶段方案2计算位移云图见图7。

图7方案2各施工阶段位移云图

② 应力云图。各施工阶段方案2计算应力云图见图8。

图8方案2各施工阶段应力云图

计算结果曲线图如图9、图10所示。

方案1中脚手架支撑结构总高36 m，结构最大位移为80.87 mm，最大Von-mises应力为201.36 MPa；方案2中脚手架支撑结构总高34 m，结构最大位移为76.14 mm，最大Von-mises应力为190.95 MPa。由《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[15]JGJ 130—2011可知，脚手架支撑结构整体允许位移最大限值为l/400(l为脚手架结构整体高度)，两种方案的有限元计算结果均小于结构允许位移，因此上述两种方案塔架结构均满足刚度要求。脚手架整体用Q235型钢管，由规范所述，Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值为205 MPa，计算结果也均小于材料Q235钢的许用应力，因此上述两种方案塔架结构均满足强度要求。

通过计算结果数据比较可看出，方案2在施工阶段1的位移比方案1大，但随后各个施工阶段，方案2的位移增量小于方案1位移增量，最终下环梁施工后支撑脚手架系统总变形量小于方案1。方案2在各个施工阶段的最大应力均小于方案1。对于本文分析的基本扇区，方案1结构的用钢量为71.57 t，方案2结构的用钢量为41.86 t，仅为方案1的58%。