超高變截面異型煙囪異型結構鋼模板研制

文/王發濤 中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司 山東濟南 250102

1、項目背景

廣東陸豐甲湖灣項目煙囪工程高243.5m，該煙囪東南、西北方向外筒壁為弧形面，西南、東北方向外筒壁為直面，外部尺寸在190.5m處發生突變（標高0m～190.5m間外部尺寸為：23m×17.8m，標高190.5m～240m間外部尺寸為21.800m×16.600m）。煙囪內筒壁設計為變坡異型體，直面方向內筒壁厚度從1.800m～0.400m分層遞減變化，弧面方向筒壁厚度東南側從2.9m～0.400，西北側從2.000m～0.400m分層遞減變化。

異型變截面煙囪是一種新型結構形式，施工中煙囪陰陽角處的施工將影響著煙囪的外觀質量，弧面與直面的施工用模板同樣對異型煙囪外觀成形起著重要作用因此需要制作一套適用于該異型煙囪施工用的鋼模板。

2、異型煙囪用模板研制過程

2.1 煙囪施工用模板介紹

傳統的煙囪施工采用的收分模板、普通內模板、外模板及軌道模板，而異型煙囪還需要陰陽角模板。內外模板根據外形形狀及拆分便易性，外模板分為770/1500模板、393/185/1500陽角模板、566/355/1500陽角模板，內模板分為570/1500模板、100/1500模板、150/1500模板、230/1500模板、300/1500模板。

2.2 澆筑混凝土模板承受面壓力計算

已知混凝土的入模溫度設為25℃，塌落度為150±30mm，混凝土的澆灌速度不大于1m/h。

（1）混凝土側壓力標準值的計算（取兩式中較小值）

F1=0.22rc·t0·β1·β2·v=0.22×25×200/40×1.0×1.15×1∧?=31.62kN/m2

F1=γc H=25×1.5=37.5kN/m2

取較小值F1=31.62 kN/m

式中：F1——新澆筑混凝土對模板的側壓力，kN/m ；γc——混凝土的重力密度，kN/m

to——新澆混凝土的初凝時間（h）可按實測確定。當缺乏試驗資料時，可采用to=200/（T+15）計算（T為混凝土的溫度℃）；

V——混凝土的澆筑速度，m/h；

H——混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m；

β1——外加劑影響修正系數，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數，當坍落度小于30mm時，取0.85；50～90mm時，取1.0；110～150mm時，取1.15。

（2）混凝土側壓力設計值

計算模板及支架的荷載設計值應采用標準值乘以荷載的分項系數，《建筑施工手冊》>表8-27得模板及支架分項系數γ1值為1.2。

側壓力計算F2=γ1×K×F1=1.2×1×3 1.62=37.94kN/m2（模板采用鋼模板，為保守計算，折減系數取1）

（3）傾倒砼時產生的水平荷載

查建筑施工手冊表得傾倒時產生的水平荷載標準值q值為2 kN/m2；查表模板及支架分項系數γ2值為1.4。所以傾倒混凝土產生的水平荷載為F3=q×γ2=2×1.4=2.8KN/m2。

2.3 受力簡化模型

由于模板與模板之間通過螺栓連接，同時煙囪壁內外的對應模板通過兩對對拉螺栓連接，所以，在對模板受力分析計算時，立體模型簡化為三邊固定、單邊自由的平面板，平面模型簡化為帶懸臂的梁。綜上所述，荷載組合=混凝土側壓力設計值+傾倒混凝土時產生的水平荷載設計值（荷載組合：當墻厚＞100mm的側面模板時），澆筑混凝土產生的模板側壓力：F=F2+F3=37.94+2.8=40.74 KN/m2。

2.4 對拉螺栓位置確定

模板在應用過程中，受力狀態為三邊簡支，承受面載荷，根據邊界條件，將模板簡化為一端固定，兩端帶懸臂的梁選取770/1500模板為計算模型，假設兩塊模板的對拉螺栓孔距離模板一端的間距為m、兩個螺栓孔的間距為l，計算梁的撓度為公式：

以m為變量，考察梁的最大撓度值，利用Matlab編程繪制，f與m之間的函數關系得到的距離m與撓度f之間的函數關系如下圖1：

從圖中可以看出，當m=357.9mm時，該模板的最大撓度值最小，根據工程實際，選取m=355mm。

2.5 模板結構有限元分析

（1）由于異型煙囪的模板布置呈現對稱的形式，為了降低計算的復雜度和節約解算空間，取整體模型的四分之一進行簡化運算。

（2）模板結構整體分析計算

對四分之一模型進行建模。施加三面簡支邊界條件、施加面壓力0.04074MPa，最大應力為139MPa，經查，為局部集中應力所致，該區域應力遞減趨勢明顯，可忽略集中應力作用， 鋼模板的許用應力為215MPa，許用變形為1.92mm。從總體受力模型看，強度和撓度均符合實際要求。模板總體看符合要求，但是總體模型看不出局部或者單塊模板的受力工況，有必要進行進一步的單塊模板的受力分析。

圖1 螺栓孔位置優化曲線

2.6 分體有限元分析計算

對770/1500、陽角模板進行分體獨立計算，由于為單體分析，采用模板四邊簡支的約束方法，同時施加面載荷，采用高精度四面體單元劃分網格，應用shell181板殼單元，得到的應力、撓度及局部穩定性計算如下。770/1500模板：施加邊界條件及面載荷0.04074MPa

經過計算，該模板的最大應力與最大撓度均小于許用應力與許用撓度，局部穩定性的一階屈曲系數為30，滿足穩定性要求。陽角模板進行應力及撓度分析，經過計算分析，該模板的最大應力與最大撓度均小于許用應力與許用撓度，局部穩定性的一階屈曲系數為48，滿足穩定性要求。

結論：

對異型煙囪的施工用模板進行受力分析，并且對模板加固對拉螺栓孔進行優化分析，最終通過有限元分析方法對普通模板及陽角模板進行分析驗算，驗證了模板結構設計的合理性，為工程實際模板制作，提供了支持。