冷卻塔塔筒子午向鋼筋布置

陳斌，王小松

(重慶交通大學橋梁系，重慶市400074)

0 引言

雙曲線自然通風冷卻塔是火力發電廠循環水系統中應用最廣的冷卻設施，無論是濕冷塔，還是空冷塔，一般都由通風筒、人字柱、環基、淋水裝置和塔心材料組成［1］。塔筒作為冷卻塔土建工程中的主要結構，其設計和優化問題愈來愈受各方的重視。目前，關于塔筒受力和選型等方面都取得了一些好的研究成果［2-3］;配筋設計方面，尤其是塔筒子午向的鋼筋布置，計算過程比較復雜，但對其研究卻相對較少。合理的鋼筋分布不僅能增強結構的受力安全與穩定性，而且對減少工程造價也有及其重要的作用［4］。本文根據冷卻塔塔筒子午向鋼筋的布置特點，提出其配筋迭代計算方法，并給出計算程序。

1 塔筒子午向配筋設計難點

塔筒是高聳薄殼型結構，其結構形式各異，尺寸大小不一，即使是同一項目的2座結構形式相同的冷卻塔，受力大小也有很大差異［5］。塔筒的配筋設計不可能像橋梁工程那樣有諸多標準化設計可循，現場施工一般是按模板高度分層立模澆筑［6-7］，子午向鋼筋布置需要考慮上、下層模板間鋼筋的搭接問題。

現行規范 DL/T 5339—2006［8］要求子午向受力鋼筋應在接頭位置相互錯開，并且在任一搭接長度區段內，有接頭的受力鋼筋截面積應占受力鋼筋總截面面積的1/3。若將3根鋼筋編為1組，按照高、中、低的方式錯層排列，中間各層模板的每組鋼筋有2根鋼筋都來源于下層模板。下層模板的布筋形式會很大程度地影響上層模板的鋼筋分布，如圖1所示。

根據塔筒的受力特點，喉部以下模板的鋼筋布置呈現自下而上鋼筋根數不斷減少，鋼筋直徑不斷變細的趨勢，喉部以上模板的鋼筋布置形式正好相反，自下而上配筋量逐漸增多。考慮鋼筋的平順搭接，一般鋼筋直徑的增減量不會超過二級，根數變化量也只有1根。如此狹隘的調節條件很大程度地造成當前層模板的配筋不能同時滿足受力和構造要求。

圖1 塔筒子午向布筋特點Fig.1 Arrangement characteristic of meridian reinforcement in cooling tower

若只考慮某個單個因素，正如文獻［9］采用不改變鋼筋根數，只改變鋼筋直徑的布筋方式，雖然可以消除鋼筋根數增加或減少造成的搭接不順暢和對塔筒局部受力不利等影響，但是卻帶來了2個新的問題。一方面加大了鋼筋的搭接工作，施工速度會受到制約;另一方面，對于特大型冷卻塔，下環梁與喉部的弧長相差很大，喉部附近的數層模板鋼筋間距會變得很小，甚至不滿足規范規定的間距要求。而且，鋼筋間距過小會造成混凝土澆筑不便，無法安置預埋件等施工困難。

綜合看來，塔筒子午向配筋需要解決兩大難題，即配筋量滿足要求和模板間平順搭接。

2 迭代計算過程

鋼筋根數的增減一般是要求在1對支柱之間的弧長段即1榀弧長內實現。因此，本文所述的塔筒子午向鋼筋布置都是指1榀弧長段li的布筋量。配筋計算時，首先可以很容易求出下環梁的鋼筋，再將其分成高、中、低3組，其中高、中2組將作為中間層模板配筋的不變組，低組鋼筋將作為可變組，中間層模板的配筋計算只需確定可變組的布筋形式即可。需要滿足的條件主要來自2個方面，一方面是當前模板的配筋量和構造要求，另一方面是后續模板的配筋量和構造要求。對于后者，只會在后續模板布筋形式不滿足要求而進行迭代計算時才會出現。最后，自下而上逐層計算，確定各層模板布筋滿足要求，計算流程如圖2所示。

圖2 中:Asi，As，A's分別為理論配筋總量、可變組理論配筋量、可變組實際配筋量，其中，Asi可根據混凝土結構設計規范［10］中各種受力構件的計算理論得到分別為高、中2個不變組的鋼筋根數和直徑;n'、d(g')、n、d(g)分別為可變組鋼筋根數和直徑的計算過程值與終值;Sn1、Sn2、S'n、Sn分別為最小、最大鋼筋間距和鋼筋間距計算過程值與終值;nr為后續模板對當前模板的配筋要求，－1表示需要減少當前模板鋼筋根數，1表示需要增加當前模板鋼筋根數;cr為當前模板配筋校核結果，－1表示需要減少下層模板鋼筋根數，0表示當前模板滿足配筋要求，1表示需要增加下層模板鋼筋根數，2表示需要增加下層模板配筋量;ls1、cs1為下層模板與當前層模板最大配筋量狀態，T代表達到最大配筋量，F代表未達到;ls2、cs2為下層模板與當前層模板鋼筋根數可增狀態，T代表鋼筋根數可增，F代表不可增;ls3、cs3為下層模板與當前層模板鋼筋根數可減狀態，T代表鋼筋根數可減，F代表不可減。

2.1 根數優先原則

鋼筋根數和直徑的改變都能調整鋼筋用量，但根數的變化還能調整鋼筋間距，因此優先確定鋼筋根數是解決子午向配筋兩大難點的關鍵，具體表現在以下2個方面。一方面，當需要減少配筋時，根數與直徑不能同時減量，若二選一的減量方式都能滿足要求時，顯然降低鋼筋直徑等級的減量方式更加經濟，但后續模板可能因為當前層減筋量過大，不能再減少鋼筋而影響其構造要求。另一方面，當需要增大配筋時，優先增加鋼筋根數在滿足配筋量要求后就不用再增加鋼筋直徑，既能實現鋼筋布置平穩過渡，也相比直接增加鋼筋直徑更經濟。

2.2 后續模板要求

可變組的鋼筋根數一般只有1根調節量，這就很難保證僅通過本層模板的調節來滿足要求，此時，就需要重新調整下層模板的布筋形式。如圖3所示，當需要增加1根鋼筋才能滿足后續模板間距要求時，可以在滿足本層模板間距要求的情況下增加1根;當需要減少1根鋼筋時，就必須用增大鋼筋直徑來彌補。

圖3 后續模板要求流程Fig.3 Flow chart of subsequent template requirement

2.3 配筋校核

在確定可變組的鋼筋具體布置形式后，需要判斷是否滿足配筋量和構造要求。當不滿足時，只能在下層模板配筋狀態可調時，重新確定下層模板的布筋形式來盡可能滿足當前模板的要求。如圖4所示，當配筋量過少時，將下層模板的理論配筋量變為本次計算時當前模板所能達到的最大配筋量，那么在進行第2次計算時，當前模板的配筋量就會有進一步的增長空間。如此反復，只要配筋量沒有超過最大配筋量就總能保證本層模板配筋量的要求。

圖4 配筋校核流程Fig.4 Flow chart of checking reinforcement

2.4 可調狀態

完成當前模板配筋后，為了給后續模板配筋提供依據，需要計算出當前模板布筋形式的可調狀態。具體表現在3個方面:鋼筋量可增cs1、鋼筋根數可增cs2、鋼筋根數可減cs3。對于根數可減的情況，為了不減少鋼筋量，則需要同時滿足鋼筋直徑可增的條件。圖5為可調狀態流程。

圖5 可調狀態流程Fig.5 Flow chart of adjustment status

3 算例分析

按照上述計算過程，編制了塔筒子午向配筋程序SMS。以某工程為例，對其冷卻塔的塔筒子午向配筋進行計算，并分析計算結果。該冷卻塔的主要參數為:塔筒模板數為120節，下環梁標高為14.001m，半徑為65.814m;喉部標高為142.786m，半徑為39.325m;剛性環標高為 191.000m，半徑為41.390m。

先設定 Sn1=180 mm，Sn2=200 mm，使得采用SMS和文獻［9］這2種方式在下環梁處有相同的布筋結果，后續模板計算時，將鋼筋根數調整方式設定為不可變即轉換為文獻［9］的布筋方式。2種方式的子午向外壁部分模板布筋結果如表1所示。

從表1可以看出，SMS方式和文獻［9］方式的布筋結果明顯不同，SMS布筋方式自下而上呈明顯的先減后增的趨勢，而文獻［9］方式在1到17塊模板間呈顯著的遞減趨勢，從17到59塊模板間遞減速度趨于平緩，59塊模板以后布筋量不再改變。尤其是在喉部處，文獻［9］方式與SMS方式相比多用了近一半的鋼筋，顯然是不經濟的。

4 結語

通過分析冷卻塔子午向鋼筋的布置特點，提出迭代計算方法，并結合其他算法，對某冷卻塔工程配筋計算結果進行對比分析后，得出以下結論:

(1)塔筒子午向鋼筋不僅要滿足承載能力和裂縫驗算要求，還需要綜合考慮模板間鋼筋平順搭接的問題，布筋計算是一個迭代過程。

(2)按照高、中、低的方式錯層排列，在綜合考慮鋼筋根數、直徑、搭接及便于施工等因素后，認為以優先調整鋼筋根數的布筋結果具有經濟合理，過渡平順，便于施工的優點。

(3)迭代思想的核心在于通過調整前排模板的布筋形式來盡可能地滿足當前模板的配筋要求，諸如煙囪、水塔等高聳建筑結構的鋼筋布置計算也可采用該思想。

(4)一般來說，要強制將某層模板的布筋結果設定為固定的形式是不太現實的，但可以事先修正該層模板的理論配筋總量Asi來實現人工調整的需求。

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