基于塔筒安全的冷却塔施工塔吊柔性附着布置选取方法

卢钦先

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

随着单机容量的扩展、大型间接空冷系统的使用以及内陆核电站厂址的需求，双曲线型自然通风冷却塔正往超大型方向发展。在冷却塔施工中，塔筒施工由于壁厚小、高度高而显得难度最大，尤其其垂直运输问题不易解决。对于超大型冷却塔，采用电建系统通行的多孔井字架、常规的自升式塔吊的刚性附着由于场地以及高度限制实施非常困难[1-2]。塔吊的柔性附着（钢丝绳）连接技术，不仅可以保证塔吊的稳定性，而且合理的柔性附着布置有利于施工期塔筒安全。经实践证明，其适合在大型冷却塔施工中采用。

但对于超大、超高冷却塔，塔吊的柔性附着技术实施案例极少，施工规范也尚无该方面内容的明确规定。目前，更多研究集中于塔吊自身，而施工期塔筒的结构安全与塔吊安全密切相关，也不容忽视[3-5]。因此，文章以整体塔筒模型为研究对象，运用大型有限元软件ANSYS等有限元分析软件对不同柔性附着方案，提出考虑附着层间距、附着力大小等因素影响的合理布置方案选取方法，并基于某电厂超大塔设计实例进行分析，得出合理的附着布置方案。

1 施工期塔筒受力分析模型及影响因素

1.1 施工期模型

某电厂超大型冷却塔淋水面积大于20000m2，塔高大于180m，塔筒分节施工，整个几何模型由桩基、环形地基、支墩、人字柱、塔筒5个部分组成。其中，塔筒的曲率半径作为典型整体结构的尺寸，厚度与典型结构尺寸比值较大，故塔筒可用壳单元或实体单元模拟；筒壁为钢筋混凝土材料，混凝土的弹性模量及强度在施工期间会随养护天数的增加而增加，为确保筒壁安全，需要精确模拟混凝土龄期；钢筋不单独模拟，用混凝土弹性模量强化的方式来模拟钢筋的作用。施工期塔筒模型可以考虑不同附着高度，建立3～5个不同高度施工期模型（M1～M5），类比推演各个施工阶段最不利的柔性附着模型。施工期模型M1如图1所示，模型M5如图2所示。

1.2 施工期荷载

施工期冷却塔所受荷载主要包括3类，分别为自重荷载、施工临时荷载以及风荷载。施工临时荷载由建筑结构设计规范选取，风荷载是施工期需要重点关注的荷载，对结构安全影响重大，且塔吊的软附着力通常在极端风荷载工况下出现极值，因此在考虑软附着力对于结构影响时，应同时施加施工期风荷载，考虑其环向以及高度方向的变化。而附着力根据附着间距变化而变化，由塔吊本身稳定计算确定，附着的层数多，间距小，则附着力相对较小，反之亦然。

图1 施工期模型M1

图2 施工期模型M5

2 柔性附着布置方案确定方法

基于以上有限元模型建立原理，首先，柔性附着布置方案应当确定冷却塔的几何尺寸、塔吊的柔性附着参数，尤其是根据塔机的自身稳定要求确定柔性附着张拉力大小及其同张拉间距的关系。其次，建立施工期冷却塔有限元分析模型。通常大型冷却塔塔筒由下至上翻模或者滑模施工，可以提取3～5个施工高度模型，尤其喉部模型（通常受力最不利）一定要包含其中。最后，确定初始的柔性附着整体方案S1。可以塔筒中心作为附着布置中心，给出初始整体竖向及横向布置S1。其中，横向（平面）布置应保证对称，塔筒受力对称；竖向布置间距保持在20～40m范围，同时施加相应的张拉力，以此计算得到各个施工高度的冷却塔模型（M1～M5）初始受力情况。对于应力集中模型，应调整附着力大小以及附着间距，变形较大节段还应该调整施工节奏，延长混凝土龄期以保障塔筒结构安全。结合塔机柔性附着参数，可依据调整后的模型进行重新分析，确保各个高度施工模型受力的合理性，并最终确定最佳布置方案。具体步骤如图3所示。

3 实例分析

基于以上分析方法，以某电厂初步设计冷却塔为例，该塔筒施工采用平臂式塔吊，布置于冷却塔中心，塔吊总高度261.1m，独立高度（第一道附着高度）为55.1m。从下到上共设置4～8道附着，附着高度间距为20～45m，每道附着共4组，4个方向，每组附着分为上下2层，每层4个点，共8个点。各个附着点的上下间距和左右间距暂取5m，软附着每个点荷载考虑不同附着工况取40～80kN。

图3 柔性附着方案确定步骤

通过初步计算可知，软附着的存在可能导致施工期塔筒的变形以及应力增加达到10%，尤其在最不利的风荷载工况下，柔性附着的存在进一步加大了混凝土拉应力，接近甚至超过了施工期混凝土的抗拉强度设计值，增大了结构开裂的可能性。通过不断的试算以及模型调整，最终确定的合理布置方式如图4、图5所示，其中附着间距为33m，对应附着力大小为60kN。该方案可以有效降低各个模型塔筒应力集中程度，同时附着的间距较为合理，避免施工难度加大，施工周期加长，并可依据此模型计算结果再进行局部受力分析，确定细部布置以及加固方案。

图4 柔性附着方案平面图（标高单位：m；结构尺寸单位：mm）

图5 柔性附着平面图（标高单位：m；结构尺寸单位：mm）

4 结束语

（1）基于塔筒的施工期结构安全，柔性附着在保障塔吊自身的稳定性的同时，对于施工期塔筒的受力影响在风荷载等外力叠加下较为明显，部分塔筒应力变形增加可达10%以上。（2）柔性附着布置方案受到施工期混凝土模型、施工期荷载、附着点间距、附着高度、附着力大小等影响因素，其中附着力大小影响较为突出。（3）以保障施工塔筒安全为目标，可通过输入柔性附着初设竖向以及横向布置方案S1，计算得到不同高度的塔筒模型初始受力情况。为降低塔筒应力集中程度，结合附着力和附着间距的关系，可通过不断调整模型优化S1，最终确定最合理布置方案，可以此计算结果作为局部加固方案依据。