談某冷卻塔局部改造的加固設計

彭 曉 闖

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火電廠、核電站的循環水自然通風冷卻塔是一種大型薄殼型構筑物。建在水源不十分充足的地區的電廠，為了節約用水，需建造一個循環冷卻水系統，以使得冷卻器中排出的熱水在其中冷卻后可重復使用。大型電廠采用的冷卻構筑物多為雙曲線型冷卻塔[1]。雙曲線型結構穩定，強度比較高，節約材料，容積相對較大也比較美觀，這種造型有利于氣流順暢流通和對流冷卻，收效明顯。冷卻塔用水作為循環冷卻劑，從某一個系統里面吸收熱量排放到大氣，以降低水溫的裝置。

其利用水與空氣流動接觸后進行冷熱交換然后會產生蒸汽，蒸汽揮發帶走熱量達到蒸發散熱、對流傳熱和輻射傳熱并以此來散去工業上或制冷空調中產生的余熱來降低水溫的蒸發散熱裝置，以保證系統的正常運行。

1 工程背景

雙曲線冷卻塔名義上為雙曲線形，實際上，工程實踐中不是完全按照曲面的幾何形狀去施工，實際的施工中曲面大多是采用分節施工的辦法，給定筒壁母線半徑和壁厚然后用多段平面鋼模板去逼近。因此，其最終形狀和雙曲線型的母線是有所差異的，現如今的塔形是材料特性、優化設計和工程實踐相互影響的結果，嚴格來說和幾何上的雙曲面有差異[2]。

所有的薄殼曲面結構都具有高強度和節省材料的特點，而在材料性能滿足的條件下，節省材料也意味著材料對于結構整體的重要性很大，混凝土作為澆筑性質材料，澆筑后不宜隨意拆除、隨意改變原始截面，改變截面導致受力情況變化，很可能產生意想不到的安全事故。故采用適合的有限元軟件用來分析截面局部拆除較為恰當。

山西臨汾市某冷卻塔高70 m，寬約56 m，底部有“人”字柱共計40對，現新進機械設備較大，無法正常搬運進入冷卻塔內部，甲方綜合考慮后采取了裁掉一對“人”字柱的方案，并同時新增兩根豎向混凝土柱，拆掉后空間擴大機械設備方可進入塔內，進而不影響工廠正常運作。本次改造雖僅涉及一對原混凝土人字柱，因該塔較為龐大，人字柱作為連接構件連接著冷卻塔上部結構與環形基礎，承受著上部塔身的自重以及其余荷載，重要性不言而喻。圖1為冷卻塔的結構構件示意圖。

2 建模分析

本文將采用MIDAS作為結構分析軟件進行分析核算，冷卻塔高70 m，環梁直徑56 m，通風筒頂部直徑34 m，人字柱共40對，柱高4.3 m。其余結構參數見表1。

表1 冷卻塔結構參數

將冷卻塔中的各個構件分別簡化為模型中的相應構件，將環梁、人字柱用梁單元模擬，環梁截面為700 mm×750 mm，人字柱及新增混凝土柱截面均為D400。將塔筒以支柱數目的2倍進行環向分割，截面采用板單元，厚度為變截面，底端厚400 mm，頂端厚200 mm，新增混凝土柱采用C35混凝土，其余材料均采用C30鋼筋混凝土。模型荷載采用結構自重、風荷載、溫度荷載三種工況，風荷載基本風壓采用0.4 kN/m2，溫度荷載為梯度荷載。人字柱底端邊界采用固結連接。計算模型見圖2，圖3。模型中刪掉一對人字柱后在原節點處新增了兩根混凝土柱，直徑同原柱。

經過軟件計算分析，新增兩根混凝土柱的應力主要變化為Fx軸力變化，原人字柱的軸力507 kN，新增混凝土柱子軸力為587 kN，其余方向應力改變不大。對比各個工況下結果，以自重工況下的結果為主。混凝土應力結果見圖4～圖6。

拆除原人字柱并新增混凝土柱后，在改造位置對于原有混凝土環梁的影響主要為Mx應力方向的應力變化，原有40對人字柱構成的底部承重結構較為均勻，待拆除一對人字柱新增混凝土柱后形成了新的應力集中，由計算結果可知，在拆除人字柱周邊各兩跨內應力變化較為明顯，兩跨以外影響基本可以忽略。新增柱頂處的環梁X方向負彎矩由原有2.0 kN·m增大為3.6 kN·m。環梁應力結果見圖7～圖9。

支座反力結果見圖10，可知支座反力由876 kN增加為954 kN，增加了約8.9%。綜上所述，拆除原有雙曲線冷卻塔一對人字柱并新增混凝土后，對環梁的局部受力影響較為明顯，影響范圍大致集中在拆除位置每側各兩跨，兩跨以外的范圍影響較小可以忽略。另外，改造后的新混凝土柱底的支座反力相比較原人字柱新增了約8.9%，而緊挨著改造處的原有人字柱支座反力由于新混凝土柱分擔了一點豎向力反而略有減少。新增混凝土柱的配筋可根據軸力參照混凝土結構設計規范進行配筋設計。

3 加固方案

本次方案采取先加固后拆除的方案，先在拆除部位新增豎向混凝土柱，待強度達到要求后再對原人字柱進行靜力切割，現場方案見圖11，圖12。在對原有圖紙鋼筋混凝土構件進行配筋核查后，發現原有鋼筋滿足改造后的應力變化，但為了保險起見，對改造位置及兩側各四跨的環梁進行粘貼鋼板加固，此外新增柱頂與環梁應可靠連接，相關做法可采用增設支點加固法[3]或參考其余相關加固規范。

此外，由于常年使用冷卻塔塔筒根部內外壁存在混凝土腐蝕現象，局部有輕微裂縫存在，為了避免腐蝕現象進一步擴大，確保塔體安全，提高塔筒整體延性，擬采用碳纖維加固方案，加固范圍為環梁頂部3 m。碳纖維具有較強的抗拉性能，易于施工，表面經刷防腐涂層后不影響冷卻塔外觀及視覺效果。對于碳纖維加固主要包括3個步驟：

1)表面處理。

先清除塔筒表面浮漿等雜質，然后將環氧膠泥對表面裂縫進行修補，并打磨平整。刷底層樹脂、粘貼碳纖維。

2)刷底層樹脂。

將要處理的混凝土表面涂刷樹脂層，待干燥后進行下一步工序。

3)粘貼碳纖維。

碳布選用300 g/m2，選擇多條密布的方式進行粘貼，每一條帶的寬度不大于200 mm，不得使用未經裁剪成條的整幅織物滿貼。將涂有粘貼樹脂的碳纖維用手輕壓貼于需要粘貼的位置，使樹脂從兩邊溢出，保證密實飽滿。在碳纖維粘貼加固工序完成，待樹脂基本固化后，用膠泥對碳纖維粘貼邊緣進行找平。

由于冷卻塔使用環境的特殊性，粘貼纖維復合材料將不可避免的暴露在陽光下以及氣體介質腐蝕，為此，其表面應進行防護處理，以防止長期受陽光或介質腐蝕，從而起到延緩材料老化、延長使用壽命的作用。另外除應符合相應的國家現行有關標準的規定采取專門的粘貼工藝和相應的防護措施外，尚應采用耐環境因素作用的結構粘貼劑。

4 結語

冷卻塔作為大型工業建筑，結構龐大受力復雜，對局部進行加固改造時應采用有限元模型進行精確驗算分析，以此來指導加固設計方案，并應采取與實際施工方法緊密結合的有效措施，保證改造加固后的結構安全可靠。