水泥预热器混凝土框剪结构工程设计与施工研究

2020-08-07孙小永迟大亮陶瑛李明王晖

水泥技术 2020年4期

孙小永，迟大亮，陶瑛，李明，王晖

1 前言

当前水泥业主对水泥项目结构工程的要求日趋多元化，如某水泥项目应业主要求，预热器采用传统混凝土结构设计方案，而当前水泥行业中普遍采用的是钢结构设计方案。钢结构设计方案较之混凝土结构设计方案更易于施工组织与设备安装，且项目建设期短。因此，如何在满足业主要求的前提下，创新设计理念，优化施工方案，提升项目效益是我们当前应重点研究的问题。

结构施工设计方案的选择对水泥EPC项目的整体建设周期有很大影响，应从设计方案源头着手，对设计理念进行创新，以先进的施工工艺引导设计，通过设计推动施工工法创新，从而实现设计与施工的有机结合，提升项目整体效益。

2 设计理念的创新

在水泥工程项目中，预热器整体建筑高度一般在100～120m，受工艺影响楼层层高一般在10～15m之间，个别跨度较大。我们决定从以下三个方面对传统设计进行创新。

2.1 施工引导设计

2.1.1 当前高层建筑施工工法分析

在设计方案研讨及确定前，应结合当前成熟、先进的施工工艺，对结构设计选型进行分析、论证，从设计源头进行控制，使结构易于施工，利于将蓝图转变为实体。

高层建筑常用施工工法见表1。通过对表1中高层建筑对应施工工法的分析及筛选，第3、4项滑模及爬模工艺较适用于预热器结构的施工。

2.1.2 预热器结构的设计

在预热器结构初设阶段应使其结构满足滑模及爬模工艺施工工法的施工需求。

表1 高层建筑常用施工工法

（1）结构初设阶段

结合预热器工艺布置要求，15.25m以下作为空压机站及电气室使用，楼板仍采用混凝土楼板；15.25m以上楼层内部楼板采用组合楼板，以满足爬模/滑模施工工艺要求。

建筑物外墙采用框剪结构，使其更适合滑模/爬模施工工艺要求。

由工艺人员审核布置方案，最终确定预热器结构初设方案，初设详细参数见图1。

图1 结构初设详细参数

（2）详细设计阶段

在初设的基础上，收集各类资料，开展结构建模的详细设计工作。

2.2 设计推动施工工法创新

完成结构初设方案并不代表设计方案及施工方案已完全确认并定型，需对初设方案进行详细的再论证工作，并结合再论证结论修正设计及施工方案，必要时需对工法进行变革。

在本项目中，经2.1部分论述，在结构初设时已使竖向剪力墙、柱满足滑模、爬模施工工艺要求，但部分梁、板等水平构件仍需设定施工方案。本项目施工由滑模、爬模构成的主施工和由梁、板构成的附属施工两部分组成。

方案再论证内容见图2，通过分析及再论证可以确认采用爬模工艺更为科学合理，且为满足水泥项目的特点对梁部位的施工工艺进行了专项开发。

2.3 设计与施工相结合

通过以上分析可以看出，设计与施工是相辅相成的，结构设计应先进、科学以及利于项目属地（针对于国际工程）的施工工艺的实施；同时，应创新与开发具有水泥项目特色的施工工艺，以设计推动施工工法的革新，从而提升项目的综合效益。

3 预热器框剪结构施工方案的整体设定、论证及开发定型

3.1 主爬模工艺设定

在初步论证及再论证的基础上，确定预热器施工的主爬模工艺，使其满足剪力墙及柱的施工要求。

3.1.1 分区域布置

根据预热器剪力墙及柱布置结构特点，对爬模架体进行分区布置，重点考虑如下因素：

（1）剪力墙及柱阴阳转角处平台断开，避免架体变形。

（2）结合人员通道和混凝土浇筑需求，将上部通道进行必要的连通。

3.1.2 爬模机位布置

图2 方案再论证

（1）机位布置空间要求：由下至上混凝土连续、贯通，具有500mm以上宽度。

（2）机位间间距要求：通常挂点间距应＜5m，因本项目特点，梁跨距＞5m，需通过加大钢梁、桁架方式进行连接。

（3）爬升能力计算：根据各层平台荷载值，计算爬升机位数量及布置位置，经计算，最终布置36个机位。分区控制模块及爬模机位布置见图3。

3.1.3 模板配置计算

根据爬模特点，柱及剪力墙竖向连续性构件侧向模板固定于模架主平台之上，需进行平面及高度布置。

（1）模板平面布置：主要由构件尺寸决定，其侧模固定于架体上，柱及剪力墙端部模板则用塔吊辅助安装。

（2）模板高度主要由楼层高度及每层施工次数确定，本项目拟定每楼层倒模次数≯4次，即梁1次+柱/剪力墙≯3次，经综合计算，模板配合高度以4.5m为宜。

3.2 梁部位施工工艺的设定

3.2.1 梁底支设方式设定

前2.2项中已分析，采用搭设传统脚手架支撑梁底方式无法满足水泥项目预热器结构施工需求，需进行专项创新开发工作。经分析，梁底支设采用如下方式，具体方案设定如下：

（1）采用钢梁作为梁底支撑，规避脚手架作业。

（2）混凝土柱、剪力墙侧面设置牛腿，与钢梁连接，承担梁施工荷载。

（3）辅助支撑有独立支撑及斜支撑两种设置方式，根据梁跨度及梁高确定是否设置独立支撑；根据梁跨及梁底钢梁选型确定是否设置梁底斜支撑。

（4）梁底支设方式见图4。

3.2.2 梁施工工艺及设备专项开发

（1）通用部件的开发

通用部件包括牛腿及调整件两部分，具体形式见图5。

图3 分区控制模块及爬模机位布置

图4 梁底支设方式

图5 通用部件设置方式

牛腿设置方式：引入当前先进的预埋技术，对牛腿设置方式进行专项开发。新方法既降低了施工难度，又提升了牛腿的周转率，经初步估算，周转后单组牛腿成本不到20元/套。

调整件的开发：更改建筑中常采用的螺旋顶撑方式，在个别部位采用千斤顶作为支撑调整件，提升拆装速度。

（2）短跨度梁

因长轴向短跨梁梁两侧均有爬模架体，若能充分利用爬模架体进行梁底模及侧模安装拆除施工，则既可提升施工效率，减少塔吊占用率，又可降低安全风险。模架的专项开发内容如下：

模改1：在上层模架上挂装梁侧模模板，利用电动葫芦或手动葫芦进行梁模板侧模拆装工作。

模改2：梁部位内侧主平台位置爬架距离墙体由200mm移至600～700mm（由梁底模厚度决定）。

通过以上改装可实现，利用上部电动葫芦整体拆装梁底模及梁侧模至上层平台。改造后，模板拆装工作更为简便，操作流程更为合理，短跨度梁模改示意图见图6。

图6 短跨度梁模改示意图

（3）跨度12.6m梁

本项目短轴方向的12.6m跨度梁，是本方案设定的一个难点，其施工设计方案由水泥工艺特点及项目综合效益点决定。对该12.6m跨度梁的施工方案的专项开发，其开发程序及设定要素见图7。

a独立顶撑

独立顶撑采用型钢格构式结构，参照塔吊标准节方式进行设计计算，保证整体支撑承载力。

顶部连接件设置从满足稳定性要求和满足分节快拆体系两方面考虑，此点作为本次创新开发关键点，在混凝土强度达到75%时即可实现模板分段拆除。此处首创在顶部设置三组独立顶撑系统，将12.6m跨度梁分割成“2大跨+1小跨”模式，将梁跨度限定在8m范围内，从而实现两个大跨度梁在混凝土强度为75%时即可拆模；同时，考虑到梁支设的整体稳定性和提升调节行程，独立顶撑上部采用传统U型顶托作为调整件。顶部支撑设置方式见图8。

底部连接设置也是从稳定性及快速拆除易于周转使用两方面考虑。为满足以上两方面要求，底部连接采用了预埋螺栓及销栓固定相结合的方式进行设置。

为便于施工过程中的安装拆除及安全工作，结合安装拆除时间合理设置施工通道。根据当地温度及湿度情况，75%强度按照7d进行考虑，100%强度按照14d进行考虑。该12.6m跨度梁两侧模板可与短跨梁同期拆除，而独立顶撑及对应的小段模板将在上层梁浇筑完成后（预计16d）进行拆除及周转。为满足施工通道及整体拆装需求，需在独立顶撑内部设置上下直爬梯。

b配套模板

为满足以上大跨度梁分节快拆体系要求，除对以上独立顶撑进行三组独立顶撑开发外，仍需对配套模板进行相应配置。

牛腿：调整件独立顶撑自带牛腿（不计），而梁侧墙仍采用周转挂装式牛腿。

调整件：独立顶撑调节件因涉及到梁中部稳定性以及保证后续独立顶撑拆除向上移动的整体行程，故采用传统式螺旋顶撑，梁侧墙处则采用千斤顶顶撑。

模板分段与独立顶撑三组顶撑件配套，底部支撑钢梁及模板采用分节分段设置，具体见图9。