超大型冷卻塔筒壁施工塔吊柔性附著受力影響分析

盧欽先 （中國能建廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 引言

自然通風冷卻塔是內陸火電廠與核電廠的重要組成部分。隨著單機容量的擴展以及大型間接空冷系統的使用，雙曲線型自然通風冷卻塔正向超大型方向發展，如塔高超過200m，淋水面積大于20000m2超大塔。而在冷卻塔施工中，塔筒施工是其中最困難的部分，由于壁厚小而高度大,其垂直運輸問題不易解決，尤其對于超大型冷卻塔，采用電建系統通行的多孔井字架以及使用常規的自升式塔吊的剛性附著技術均實施困難，不再適用[1,2]。反之柔性附著的中心塔不僅解決了平面狹窄無法施工的困難，而且加速了施工進度，節約了施工費用。經實踐證明，塔吊柔性附著技術適合在大型冷卻塔施工中采用。

但對于超大超高冷卻塔，塔吊的柔性附著技術實施案例少，施工規范也尚無該方面內容的明確規定，目前更多研究集中于塔吊自身[3,4,5]，而施工期塔筒的結構安全與塔吊安全密切相關，因此本文以整體塔筒模型為研究對象，基于某電廠項目，運用大型有限元軟件ANSYS等有限元分析軟件對不同柔性附著方案，包括不同附著層間距、不同附著高度、不同附著力對于塔筒受力的影響規律進行數值模擬分析總結，并提出了結構加固位置以及最優整體布置的獲取建議。

2 整體模型分析

2.1 分析模型選取

整個幾何模型由樁基、環形地基、支墩、人字柱、塔筒5個部分組成，使用ANSYS構建完整幾何模型如圖所示。結合某電廠可研設計的超大塔為例，其中淋水面積為22000m2，塔高達到235m，塔筒分節施工，最下面一節為下環梁，塔筒頂部有剛性環，施工期塔筒考慮不同的高度模型，其混凝土彈性模型考慮施工周期的影響。

施工期冷卻塔所受荷載主要包括3類，自重、施工臨時荷載以及風荷載。施工臨時荷載由建筑結構設計規范選取，由于風荷載是施工期需要重點關注的荷載，對結構安全影響重大，且塔吊的軟附著力通常在極端風荷載工況下出現極值，因此在考慮軟附著力對于結構影響時，同時施加施工期風荷載，考慮其環向以及高度方向的變化。

2.2 柔性附著方案

該塔筒施工采用平臂式塔吊，布置于冷卻塔中心，塔吊總高度261.1m，獨立高度（第一道附著高度）為55.1m，從下到上共設置6道附著，附著高度間距為33m，每道附著共4組，4個方向，每組附著為分為上下2層，每層4個點，共8個點，各個附著點的上下間距和左右間距均取5m。軟附著每個點荷載考慮施工工況取為60kN，具體模型如下圖1～圖2。

由于需要計算不同施工階段塔筒的受力，非完整高度的模型考慮2道附著模型D1M 1和4道附著模型D1M 2的情況，具體如下3～圖4所示，完整高度模型D1M 3如圖1所示。

圖1 軟附著方案立面圖（D1M3）

圖2 軟附著平面圖

2.3 塔筒柔性附著受力影響分析

2.3.1 僅施加附著力計算結果

以D1M 1和D1M 2的位移為例，由于荷載對稱施加，結構呈明顯的對稱變形，具體如圖5～圖6。

圖3 D1M1模型立面圖

圖4 D1M 2模型立面圖

圖5 D1M 1工況一計算位移U圖

圖6 D1M 2工況一計算位移U圖

同時，在軟附著力的作用下，隨著模型高度的增加，結構位移也不斷增大，當模型高度由96.1m增大至235m時，結構的最大變形由11.0mm增加至22.8mm，這同荷載的增加以及塔筒變厚有關，下部厚度較大，上部厚度則逐漸減小至喉部附近最小。此外，最大位移的位置隨著附著高度增加而不斷往上移動，最大的變形出現在所有軟附著荷載施工完畢，冷卻塔喉部附近及以上位置。模型的應力分布情況同位移類似。

2.3.2 綜合考慮風荷載后計算結果

圖7 風壓分布圖

圖8 D1M1工況二計算位移U圖（俯視）

圖9 D1M 3工況二計算位移U圖（俯視）

圖10 D1M 1軟附著加載前位移U圖

施加風荷載后，結構的變形主要由風荷載控制，附著力在某些位置加劇了結構的變形，不利于結構的局部受力，容易出現局部破壞。其中風壓分布如圖7所示。

施工風荷載后，結構變形如圖8～圖9所示。

由上圖可見，施加風荷載之后，結構變形與風壓分布規律完全吻合，迎風面受壓，兩側位移逐漸減小至受最大負壓處，軟附著的存在對于塔筒位移有一定的影響，尤其是在D1M 1中，可以明顯看到附著力引起的塔筒變形。對于正壓區的塔筒而言，附著力加劇了結構的變形。而負壓區的塔筒，附著力與風荷載方向相反，其位移有一定的減小。

為突出軟附著荷載對于結構整體受力影響，進行軟附著荷載施加前后的對比分析，以D1M 1為例，加載前位移如圖10，加載后如圖8所示。

由加載前后的位移圖對比可知，總體而言，附著荷載對于整體變形的影響相對較小，但對于局部變形，D1M 1加載前最大位移為25.8mm，加載后為28.8mm，最大位移增加了約為10%，均出現在最大負壓處。且對比加載前后的應力圖可知，環向應力最大部分均出現在最高一道軟附著附近的塔身最大負壓處。其中D1M 2最大環向應力在加載前為1.63MPa，加載后為 1.84 MPa，增大了約10%。該部分應力增大與附近的多道軟附著荷載影響相關。軟附著的存在進一步加大了拉應力，導致荷載應力接近甚至超過了施工期混凝土的抗拉強度設計值，增大了結構開裂的可能性，尤其對于應力增加最明顯的附著點位置塔筒，應更加重視，在施工過程中注意局部結構加強，分散集中的應力。

3 結論

①柔性附著整體分析模型受到施工期混凝土模型、施工期荷載（風荷載為主）、附著點間距、附著高度、附著力大小等關鍵影響因素，選定合理參數進行整體分析，方可保證施工期塔筒受力計算合理。

②當結構僅受柔性附著荷載和自重荷載時，模型計算結果完全對稱；隨著模型高度的增加，結構的變形逐漸增大，變形極值出現在所有軟附著施工完畢，冷卻塔喉部附近及以上位置。

③當結構增加施工期風荷載之后，模型計算結果符合風荷載的分布規律，柔性附著的存在加劇了局部變形和應力的增大，以文中模型為例，施工期塔筒最大變形增大了5%～10%，環向應力增大了10%左右，尤其在風荷載引起的主拉應力已經接近混凝土的抗拉強度時，軟附著的存在將進一步加大結構開裂的趨勢，需要在施工過程進行局部加固。

④為了使塔筒整體受力更均勻，集中荷載較分散，可以嘗試分析不同的附著高度，不同的附著力的整體模型，以獲得最佳布置方案。常規而言，通過增加附著道數，減少附著間距，可以減少附著力的集中，但其施工工藝更為復雜，施工工期更容易受到影響。