钢网格结构冷却塔的设计施工技术研究

张平

摘要：钢网格冷却塔结构是一种在以大跨空间结构和冷却塔特有结构形式为基础的一种新型的冷却塔结构。与传统混凝土冷却塔相比，钢网格冷却塔具有抗震性能好、施工周期短、钢材可回收利用等特点。本文对钢网格冷却塔的结构设计方案、设计参数及施工技术等进行了研究。

关键词：钢网格冷却塔；钢结构；设计施工技术

冷却塔作为发电厂的重要结构，其运行效果会直接对发电厂生命力产生影响。钢筋混凝土冷却塔仍然是当前市场的主流，但是随着冷却塔规模的不断增大，钢筋混凝土结构的缺陷也日益凸显。钢网格冷却塔结构作为一种新型的冷却塔构造模式，其施工周期短、抗震性能好、成本适中，因而钢网格结构冷却塔也得到了越来越多的应用，研究钢网格结构冷却塔的设计及施工技术对于我国工业的发展也有着重要的意义。

1钢网格结构冷却塔设计

1.1钢结构冷却塔现状

国际上，钢结构冷却塔早在上世纪70年代已经开始应用，主要在伊朗和叙利亚等缺水地区，采用的结构体系均为直筒锥段、单层三角型网格+加强环结构体系，技术上已非常成熟。已经投运的最高钢塔塔高160m。

在国内，鉴于钢结构冷却塔的众多优点，众多中国科研院所、冷却设备厂家、电力设计院等也开始研究钢结构冷却塔，并取得了实质性成果。

1.2冷却塔结构选型

目前国内钢筋混凝土冷却塔均为双曲线冷却塔，这种形式的冷却塔的散热性能良好。钢结构冷却塔的塔型包括双曲线塔、直筒锥塔等，钢结构体系有单层三角形网格、四角锥网壳等不同型式。（如图1、图2、图3所示）

双曲线型冷却塔的主要参数包括塔底直径、塔高、出口直径、喉部直径、喉部高度、区别于双曲线型冷却塔，直筒锥塔上部塔筒为圆柱筒型，因此主要的塔体参数也相应发生改变，主要参数包括圆柱筒高度、圆柱筒直径、进风口高度、进风口直径、截锥高度、塔高等。

根据国内相关研究，双曲线型钢塔用钢量和外墙材料量多于直筒锥型钢塔，并且双曲线型钢塔施工难度相对较大。并且通过数值模拟，直筒锥型塔散热器的风流量较双曲线型塔高，且质量流率及热负荷随着锥筒高度增加而呈上升趋势。因此，国内外直筒锥型钢结构塔应用较双曲线型多。

钢网格冷却塔骨架由钢柱、水平抗风桁架以及柱间支撑组成，钢结构骨架外侧包挂彩钢板、铝板等外墙板蒙皮。

1.3直筒锥塔设计

钢塔塔体所受荷载与混凝土冷却塔类似，主要包括恒载、活载、风载、温度荷载及地震作用。恒载包括钢立柱自重、外墙板自重、斜撑及檩条自重、节点板自重等。活载包括雪荷载及检修荷载等，此部分比较小，可以忽略不计。风荷载的分布与混凝土冷却塔类似，可按《火力发电厂水工设计规范》确定。温度荷载分两部分：一是塔体环境温度的变化，即整体温升及温降；二是受日照影响作用，塔体内部温度场的不均匀温差。

钢塔结构计算内容主要包括稳定性计算、钢构件内力分析等。结构计算采用通用有限元软件ANSYS，对结构杆件内力及整体结构稳定性、变形等进行计算。

1.4直筒锥塔可靠性分析

碳钢在大气中的腐蚀速率与空气的相对湿度有密切的关系，当空气相对湿度< 30%时，几乎不会发生腐蚀情况，当空气相对湿度< 60%时，随着相对湿度增加，腐蚀速率增加但增加缓慢，而当相对湿度> 60%时，在金属表面易产生凝露，碳钢在大气中的腐蚀会急剧加速。如图4。

在间冷塔正常工作时，经过空冷散热器加热，空气温升大于20℃，进入塔内的相对湿度将不超过30%。根据以上的腐蚀机理，在间冷机组正常运行时，塔内相对湿度很低，在这种情况下不会形成腐蚀条件。

蒙皮板厚度、波形、檩条间距及布钉间距根据相关设计标准按50年一遇风载荷及相关系数计算确定，挠度和刚度满足设计要求。

1.5冷却塔稳定性分析

钢结构冷却塔稳定性的影响因素包括结构、刚度以及荷载等等。常用的混凝土冷却塔稳定性分析方法包括计算特征值分析法、整体稳定性验算方法以及对局部稳定性进行验算的屈曲应力状态方法。根据相应的行业标准规范及冷却塔建设规程，钢网格冷却塔结构稳定性一般不需要进行验算，但是考虑到钢网格结构外形的特殊性和稳定性的不确定性，因而在实际的设计中仍然需要对钢网格结构的稳定性进行验算。在进行结构稳定性验算时需要从两方面来进行，包括考虑跨度和不考虑初始缺陷两种情况，并建立两个结构模型。经验算钢网格结构为初始缺陷非敏感结构，且该结构的屈曲特征值较大，因而结构整体的线性稳定性也可以充分满足冷却塔的使用要求。

2钢网格结构冷却塔施工

2.1施工方案选择

钢网格结构冷却塔本身的结构较为复杂，对于施工技术和精度控制的要求也比较高，因而在进行施工方案的选择时必须要对施工难度、施工成本以及施工质量等因素进行综合的分析。结合钢网格结构冷却塔的特点，可以将攀达穹顶施工法作为基础施工技术，于此同时利用整体顶升施工法和逆作安装法加以配合，制定出与钢网格结构相适应的交替分布顶升施工方法。一般来说冷却塔顶升的第一圉结构需要先在地面拼装好，之后利用液压千斤顶同步顶升技术将拼装完成好的第一圉结构单元进行逐步的顶升，并采用补焊杆件进行结构的补充，在此基础上再进行第二圉结构的拼装和顶升施工，将此过程进行多次重复，直至钢网格冷却塔结构的完成。交替分布顶升施工方法的大部分结构可以在地面进行拼装，高空作业的难度得以降低，施工效率及冷却塔的建设安全性都可以得到保证。

2.2施工准备工作

确定好施工方案之后需要进行钢网格结构施工顺序的确认，施工准备工作是施工的基础环节，会对后续的施工质量和施工效率产生重要的影响，因而必须要引起重视。严格按照钢网格结构冷却塔的设计要求进行地面滑动轨道和移动顶升车的布置，支架要进行环向的布置，布置完成后要进行相应的调试，确保支架和移动顶升车滑动轨迹的正确性。移动顶升车的滑移轨道具体的布置如图5所示。施工平台也要进行环向的分装搭设，平台与移动顶升车的高度应当保持一致，一般来说平台的高度在2m左右，于此同时还要结合钢网格结构冷却塔的施工特点满足可拆卸的需求。

2.3钢网格结构冷却塔施工安装

根据冷却塔的钢网格结构形状以及设计图纸中坐标和标高的要求在施工平台上进行第一圉結构单元的拼装，待拼装工作结束之后可以将滑动轨道上的平台撤掉，并将与第一圈结构相对应的移动顶升车移动到相应轨道上进行定位，将杆件支点和顶升支点连接起来。液压千斤顶也是钢网格结构冷却塔施工的关键技术，可以利用液压千斤顶同步顶升技术将第一圉结构顶升至设计中规定的标高位置，至此第一圉结构的安装工作完成。第二圉单元拼装与钢网格结构的第一圈结构的施工方法，之后在利用施工现场的起重设备将其放置到合适的安装位置上。需要注意的是在第二圉单元的吊装中要排除与顶升支架的位置存在冲撞，不便于进行焊接的单元。此外需要将第一圉结构安装所使用的移动顶升车移开，工人在顶升车原在位置放置爬梯，通过相应的施工补齐剩余单元，直至可以形成完整的环状结构。之后对第一二圉结构的安装施工操作进行重复，通过两部移动顶升车的不断倒换来完成第三圉及后续的单元结构的顶升作业。待环向结构安装完成后要将两部移动顶升车及其使用的滑移轨道全部撤除，施工人员要根据设计要求将结构中缺少的单元杆件进行补齐，并将基础与剩余的单元进行连接和固定。

3结语

综上所述，与传统的钢筋混凝土冷却塔相比，钢网格结构冷却塔在设计施工阶段具有突出的优势，于此同时其稳定性较高，对于相关经济效益的提高也有着积极的作用，在未来有着巨大的发展潜能。但是目前大型钢网格结构的冷却塔在设计动力响应、结构边界条件选取以及施工技术的选择等方面仍然存在一些不足，因而有必要进一步加强相关研究，促进钢网格结构冷却塔建设质量和使用效果的提升。

参考文献

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