新型鋼管混凝土X支柱在空冷塔工程中的設計應用

石天琪，閆 杰，張宏飛，侯憲安，呂 蘭

(1. 陜西榆林能源集團楊伙盤煤電有限公司，陜西 榆林 719316；2. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著空冷技術在北方富煤缺水地區大容量發電機組中的廣泛應用，配套空冷塔的規模越來越大，高度越來越高，施工周期也越來越長。

在北方寒冷地區，由于冬休期的存在，客觀上的拉長了整個空冷塔的施工周期。如何有效縮短整個空冷塔的施工周期是亟待解決的一個突出問題。

1 空冷塔鋼筋混凝土X支柱的缺點及改進方案

目前，國內外絕大多數混凝土自然通風空冷塔通常都采用現澆鋼筋混凝土X支柱。這類斜支柱具有支撐高度高、雙向三維傾斜、橫截面尺寸大、自重重、鋼筋密集等特點，幾乎均采用滿堂腳手架分段現澆法施工，如圖1所示。該方法施工工期長，勞動力投入多，混凝土澆筑振搗困難，腳手架安全風險大，施工安保費用高。

圖1 空冷塔X支柱滿堂腳手架現澆施工工藝

為了縮短施工工期及改善施工質量，土耳其某燃煤電廠曾嘗試使用預制鋼筋混凝土X支柱建設空冷塔，如圖2所示。雖然預制方案可以省卻滿堂腳手架搭拆及分段現澆環節，但由于X支柱高度大，重量重，水平轉運困難，只能就地預制。預制周期長，占用場地大。吊裝對起吊能力提出很高的要求，其困難之大甚至掩蓋了其長處。

圖2 土耳其某空冷塔的預制鋼筋混凝土X支柱

為了克服現澆及預制鋼筋混凝土X支柱的缺點，陜西某電廠2座660 MW級自然通風直接空冷塔建設中在國內外首次采用了鋼管混凝土X支柱技術。實踐證明其施工速度快、施工質量高、起吊難度適中等優點，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

2 鋼管混凝土工作原理及統一理論

鋼管混凝土可彌補兩種材料各自的缺點，充分發揮二者的優點，如圖3所示。

圖3 鋼管混凝土的優點

2.1 鋼管混凝土工作原理

1)外包鋼管對管內混凝土施加側向約束，使混凝土處于三向受壓的應力狀態，延緩了混凝土材料縱向微裂縫的發生和發展，從而提高其抗壓強度和壓縮變形能力，承載能力更好，塑性和韌性性能大為改善，抗震性比鋼筋混凝土更好；2)借助管內填充的混凝土的支撐作用，增強了鋼管壁的幾何穩定性，改變了鋼管的失穩模態，避免或延緩鋼管發生局部屈曲，從而保證鋼材性能的充分發揮，提高其承載能力；3)鋼管內部不配置鋼筋，省卻了鋼筋綁扎工序，節省人工；4)在鋼管混凝土施工過程中，外包鋼管作為澆筑其核心混凝土的外模板，采用頂升法施工一次澆筑完成，大大簡化模板及支撐體系，施工方便，降低了施工成本；5)構件橫截面小，節省材料，經濟性好。

由于其突出的優點，鋼管混凝土已經在大型拱橋、民用超高層、特高壓輸電塔等領域得到廣泛的應用，其基礎理論、設計方法和施工工藝都已相當成熟，國內外已有多本規范標準[1-4]實施。

2.2 鋼管混凝土統一理論

為了簡化鋼管混凝土結構的分析計算，基于其工作原理，哈爾濱工業大學的鐘善桐教授于上世紀70年代提出了基于大量試驗回歸的“鋼管混凝土統一理論”[5]，其含義是：鋼管混凝土構件的性能隨著物理參數、幾何參數、應力狀態及截面型式的改變而變化，變化是連續的、相關的和統一的。

與其他理論相比較，統一理論將鋼和混凝土混合成一種“組合材料”，不再對二者進行區分，從而摒棄了內力分配或疊加的概念，研究鋼管混凝土組合新材料組合性能，得到了一系列組合力學性能指標，并用這些力學性能指標來計算構件的承載力和變形，使設計工作大為簡化。

3 冷卻塔鋼管混凝土X支柱分析與設計

3.1 總體分析

鋼管混凝土主要是用作軸壓和小偏心受壓柱，非常貼合冷卻塔斜支柱的實際受力狀態。冷卻塔鋼管混凝土X支柱宜采用“鋼管混凝土統一理論”進行內力分析。其優點是，對已有的冷卻塔結構分析軟件無需或稍加改造便可方便地實現鋼管混凝土支柱的等代桿件輸入、建模及分析計算，再根據內力分析結果對鋼管混凝土X支柱進行截面設計和節點設計。

3.2 截面設計

鋼管混凝土X支柱截面的設計過程如下：

1)先假定圓截面鋼管混凝土支柱設計截面尺寸(直徑、鋼管壁厚)及材料參數(鋼管管材和管內混凝土強度等級)；

2)計算支柱的等代桿件截面參數(等效直徑和等效模量)和構件的N-M相關曲線；

3)利用已有的冷卻塔結構分析軟件進行內力分析計算；

4)在內力計算結果中提取各工況下支柱各個截面的N、M值，與N-M相關曲線比較，判斷1)中假定設計的截面是否合適，根據情況修改1)中設計參數；

5)重復上述過程，直至滿意跳出循環。流程如圖4所示。

圖4 截面設計流程圖

鋼管混凝土截面及其等效截面如圖5所示，D為鋼管混凝土柱截面外徑，t為鋼管厚度。等代桿件截面參數(等效直徑和等效模量)計算方法如下：

圖5 鋼管混凝土截面及其等效截面

式中：t為鋼管厚度，m；D為鋼管混凝土柱截面外徑，m；Dhs為組合截面換算外徑，m；A為鋼管混凝土柱截面面積，m2；As為截面中鋼管部分的截面積，m2；Ac為截面中混凝土部分的截面積，m2；Ahs為組合截面換算截面積，m2；I為鋼管混凝土柱截面慣性矩，m4；Is為截面中鋼管部分的截面慣性矩，m4；Ic為截面中混凝土部分的截面慣性矩，m4；Ihs為組合截面換算截面慣性矩，m4；Es為鋼材彈性模量，MPa；Ec為混凝土彈性模量，MPa；Ehs為組合截面換算截面慣性矩，m4。

由式(5)計算得到換算外徑，由式(6)或式(7)計算得到換算模量，進而可以構造出一個等效的圓截面，該圓截面的軸壓彈性模量以及抗彎彈性模量均與原來的鋼管混凝土截面相等。

把等效圓截面桿件參數輸入現有的冷卻塔結構分析計算軟件中，可以計算得到支柱截面內力。

根據GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》第 5.3 條 (5.3.1-4)、(5.3.1-5)、(5.3.1-6)式，計算得到鋼管混凝土柱的N-M相關曲線。

把冷卻塔結構分析計算軟件計算得到各個工況下的支柱截面內力點(N、M)疊加到N-M相關曲線上，如圖6所示。

圖6 疊加各工況下內力點(N、M)后的N-M相關曲線

根據內力點分布與N-M相關曲線的位置關系就可以判斷鋼管混凝土柱截面設計是否安全，根據需要相應迭代調整鋼管混凝土柱的截面參數。

3.3 節點設計

鋼管混凝土X支柱的關鍵節點包括：加強型X節點、柱底連接節點和柱頂鋼環梁連接節點。

國內某設計院聯合高校于2016～2019年間針對混凝土間冷塔鋼管混凝土X支柱應用展開理論、數值及節點試驗研究，取得一系列研究成果[6]。

數值分析及節點試驗對比表明，交叉點是結構的薄弱環節，應在X型鋼管柱左右柱肢交叉處采用加強型X節點[7]。強型X節點由拉接板、加勁環和加勁肋組成，如圖7所示。

圖7 加強型X節點及其分解圖

為了提高柱底連接的抗拔能力，X型鋼管柱在柱底設置了連接斜筋和抗剪栓釘，以加強鋼管混凝土柱與柱底支墩的連接，如圖8所示。

圖8 柱底連接節點示意圖

本工程X型鋼管柱柱頂設置了鋼環梁，其主要作用包括：首先是為起吊單元提供環向支撐；其次是為塔筒施工模板系統提供起始的附著點；第三，成塔后還可以作為塔筒底部環梁的結構件，如圖9所示。

圖9 柱頂鋼環梁連接節點示意圖

4 鋼管混凝土X支柱的施工

鋼管混凝土X支柱的施工過程包括鋼結構部件的工廠加工、現場焊接組拼起吊單元、起吊單元吊裝就位、澆筑管內混凝土等過程。

4.1 鋼結構部件工廠加工及現場組拼

鋼管X支柱加強型交叉節點、柱頂鋼環梁、柱鋼管等數控切割下料及部件組焊均在工廠加工完成，用車輛運輸至現場。

在現場組裝胎架上把加強交叉節點、柱鋼管、鋼環梁等部件焊接組拼成一個完整的起吊單元。

現場焊接工作量較小，鋼管柱組拼可多榀并行作業，組拼速度快。

4.2 吊裝支撐就位

組拼完成的起吊單元借助大噸位履帶吊實現水平轉運和起豎吊裝。起吊單元的支撐就位及調整通過上端生根于X交叉點底面耳板和下端生根于地面基礎上的臨時剛性支撐柱實現，如圖10所示。剛性支撐柱可采用圓鋼管，也可借用塔吊的塔身標準節等。

圖10 X支柱吊裝

在剛性支撐柱根部挑梁與基礎頂面之間設置千斤頂，待整榀支柱的俯仰度調整就位后，塞緊墊鐵并緊固螺栓，如圖11所示。

圖11 柱底挑梁和連接節點

采用剛性支撐柱方案可省卻龐大的滿樘腳手架支撐體系，施工工藝大為簡化，如圖12所示。

圖12 鋼筋混凝土X支柱和鋼管混凝土X支柱的施工支撐體系對比

4.3 澆筑管內混凝土

由于把鋼管作為外模板和受力部件，鋼管混凝土X支柱無需綁扎鋼筋，采用泵送頂升法澆筑施工工藝，如圖13所示。免支模，免拆模，免分段澆筑，免振搗，簡化了施工工藝，工作效率大幅提高。

圖13 頂升法示意圖

5 工程實踐

在大型工業冷卻塔結構中采用鋼管混凝土斜支柱不僅可以縮短施工工期，還可以降低整塔土建造價(可達10%以上)。

鋼管混凝土斜支柱冷卻塔技術為世界首創，已獲多項專利授權[8-10]，并首先在陜西某煤電一體化2×660 MW電廠項目中應用，建設完成了世界首例鋼管混凝土X支柱冷卻塔(塔高188 m，進風高度29.6 m，38榀X支柱)。

采用鋼管混凝土X支柱后，與預制方案相比，起吊重量由預制混凝土X支柱方案的數百噸降低為約55 t；與現澆方案相比，無滿堂腳手架的高空搭拆作業環節，節省人工500～600人月/塔；工期由3～4個月縮短為約50 d，效率提高40%以上。

該工程1#和2#冷卻塔已于2021年11月上旬和下旬先后施工完成，和里程碑節點相比分別提前了1.5個月和5個月，創造了同規模冷卻塔斜支柱的施工記錄，節約施工措施費約30%。

6 結論

與傳統鋼筋混凝土斜支柱冷卻塔相比，鋼管混凝土斜支柱技術具有以下優點：

1) 鋼管混凝土斜支柱具有更為優良的力學性能，斜支柱承載能力更好，塑性和韌性性能大為改善，承載能力和抗震性能比鋼筋混凝土更好，橫截面小，節省材料，性價比更高。

2) 采用鋼管混凝土技術后，X支柱施工工期由3～4個月縮短為約50 d，大幅降低了施工措施費。

3) 鋼結構加工制作采用工廠化加工+現場組拼模式?？刹⑿薪徊孀鳂I，組拼速度快。斜支柱無需綁扎鋼筋、免支模、免拆模、混凝土一次澆筑到頂，簡化了施工工藝，工作效率更高。

4) 由于鋼橫截面積小，混凝土用量可節省40%以上。無需定型和異型模板，節約建筑資源，綜合造價可降低20%～30%。

5) 采用鋼結構柱整體吊裝及管內混凝土泵送頂升一次到頂等施工方案，避免了龐大的鋼管腳手架的搭拆高空作業環節，節省人工的同時降低了施工風險。

6) 工廠化加工及現場整體吊裝方案人為干擾因素少，施工精度高，外型美觀，提高了工程質量和安全性。

綜上，本技術的采用可大幅縮短施工工期，提高作業效率，降低工程造價，經濟效益和社會效益顯著，具有較高的推廣價值。