梁婭莉，李武申，劉淑萍，侯憲安

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

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某間冷塔X支柱施工偏差的安全性評(píng)估

梁婭莉，李武申，劉淑萍，侯憲安

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

摘要：本文針對(duì)某電廠1×200 MW機(jī)組工程間接空冷塔X支柱施工中產(chǎn)生幾何偏差的情況，根據(jù)三維掃描測(cè)量結(jié)果，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)有施工缺陷的冷卻塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性分析，比較不同偏差對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支柱強(qiáng)度的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：間接空冷塔；X支柱；施工偏差分析。

1 概述

某工程位于某市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，東臨黃河(距離約3 km)，西靠賀蘭山，北距烏蘭布和沙漠約10 km。100國(guó)道、包蘭鐵路從廠址西側(cè)通過(guò)，交通便利。本期工程新增1臺(tái)200 MW亞臨界燃煤間接空冷發(fā)電機(jī)組，新建一座間接空冷塔。

2 間冷塔主要幾何參數(shù)

X支柱斷面尺寸：0.80 m×1.30 m

X支柱對(duì)數(shù)：34對(duì)

塔高：126.66 m

出口直徑：61.50 m

喉部高度：96.26 m

喉部直徑：58.53 m

進(jìn)風(fēng)口高度：18.486 m

進(jìn)風(fēng)口直徑：82.384 m

下環(huán)梁殼體厚度：1.50 m

殼體最小厚度：0.185 m

0.00 m標(biāo)高X支柱中心線直徑：96.988 m。

3 間冷塔偏差的產(chǎn)生

本期工程間冷塔于2012年8月開(kāi)挖，9月完成間冷塔環(huán)基的施工，10月開(kāi)始X支柱分段綁扎鋼筋和澆筑混凝土的工作。

2012年10月下旬，施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)部分支柱存在施工偏差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，支柱在第一節(jié)模板(第一節(jié)模板高度約2.2 m)與第二節(jié)模板交界處出現(xiàn)彎折，且不同標(biāo)高處的支柱截面有沿柱軸線扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，判定出現(xiàn)該現(xiàn)象是由施工技術(shù)人員未了解設(shè)計(jì)意圖，誤認(rèn)支柱任意高程的截面長(zhǎng)軸均指向塔心。而實(shí)際按照設(shè)計(jì)圖紙，間冷塔每對(duì)X支柱的軸線均組成的一個(gè)平面，X支柱內(nèi)、外側(cè)柱表面與X支柱軸線組成的平面是平行的。而施工人員按照錯(cuò)誤的理解放樣支柱，X支柱的左右柱不同標(biāo)高的截面是扭曲的，詳見(jiàn)圖1中的區(qū)別；在X支柱的交點(diǎn)直段，會(huì)出現(xiàn)原設(shè)計(jì)截面不能包裹發(fā)生扭轉(zhuǎn)后的支柱截面現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖1　X支柱根部及頂部

圖2　X支柱交叉段

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)院重申并明確了間冷塔支柱體系的設(shè)計(jì)意圖，對(duì)下環(huán)梁的寬度進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，并將這部分圖紙重新出版并發(fā)往工地，以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的要求。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)商議，設(shè)計(jì)院以及業(yè)主一致認(rèn)為：需尋找有資質(zhì)、有經(jīng)驗(yàn)的獨(dú)立第三方測(cè)量單位來(lái)重新復(fù)測(cè)已經(jīng)施工的支柱真實(shí)尺寸及偏差情況，作為下一步設(shè)計(jì)院計(jì)算復(fù)核的基礎(chǔ)性依據(jù)，來(lái)計(jì)算并判斷支柱的配筋是否滿足穩(wěn)定及強(qiáng)度要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況

2013年5月中旬，某大學(xué)測(cè)繪信息技術(shù)研發(fā)中心對(duì)本工程間冷塔34對(duì)支柱的空間位置分布狀態(tài)及主要幾何特征參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

三維激光掃描采用地面高精度激光掃描儀，在外圍設(shè)立12個(gè)站點(diǎn)，內(nèi)部1個(gè)站點(diǎn)。采用5 mm激光點(diǎn)位間隔進(jìn)行掃描。配合三維激光掃描不同測(cè)站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，采用每站5個(gè)靶球坐標(biāo)進(jìn)行模塊拼接，最后通過(guò)對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理和模型構(gòu)建，獲取X支柱模型的空間數(shù)據(jù)，對(duì)X支柱柱體點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后采用Realworks Survey 軟件進(jìn)行后處理。包括以下幾個(gè)步驟：點(diǎn)云分割→點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→X支柱3D模型建立→模型切片和平面投影。

從X支柱下部到下環(huán)梁，取12個(gè)水平剖面，并將其疊加投影在同一個(gè)平面上。按照多點(diǎn)擬合法，獲得了X支柱圓心偏心分析結(jié)果、X支柱軸向圓心角分析以及X支柱撓曲分析結(jié)果。

根據(jù)激光三維掃描測(cè)量的結(jié)果，偏移較大的位置統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　X柱實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)模型比較偏差統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1　

《雙曲線冷卻塔施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50573－2010)，表5.6.3 斜支柱模板安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收方法中明確規(guī)定：現(xiàn)澆鋼筋混凝土支柱上半徑允許偏差±15 mm，下半徑允許偏差±10 mm；支柱軸線位移≤10 mm；柱頂中心偏差≤10 mm；柱頂標(biāo)高半徑偏差±10 mm；截面尺寸偏差±5 mm。

根據(jù)表1中的偏差數(shù)據(jù)，對(duì)比冷卻塔施工規(guī)范給出的控制標(biāo)準(zhǔn)，最大中線偏差49.9 mm，發(fā)生在15.391 m標(biāo)高處，已經(jīng)超出施工規(guī)范的允許值，超出了390%，有必要重新計(jì)算來(lái)確定對(duì)塔體穩(wěn)定性的影響及支柱所配鋼筋是否滿足強(qiáng)度及裂縫的要求。

從統(tǒng)計(jì)表中可以看出，對(duì)于一榀X支柱軸線偏差標(biāo)高基本集中在18.157 m、15.391 m和8.164 m處。

支柱頂部18.157 m處，由于下環(huán)梁是施工單位施工放樣控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一，實(shí)際發(fā)生的偏移并不大，基本可忽略。

設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)分析了支柱在5.391 m和8.164 m這兩個(gè)標(biāo)高出現(xiàn)測(cè)量所得到的不同偏移方向上的最大偏移時(shí)對(duì)間冷塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。

由于在重點(diǎn)考察的標(biāo)高處，支柱截面可能存在徑向偏移、切向偏移或同時(shí)存在兩種方向的偏移現(xiàn)象，因此需要逐一考慮不同的偏移方向，模擬各種偏移情形對(duì)冷卻塔穩(wěn)定性、支柱彎矩及配筋的影響。

5 新舊規(guī)范關(guān)于設(shè)計(jì)風(fēng)剖面的對(duì)比

風(fēng)荷載是冷卻塔的重要荷載之一，是冷卻塔的主要作用荷載。冷卻塔主體結(jié)構(gòu)是一典型的薄殼結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)荷載極為敏感。

本工程于2012年8月開(kāi)始設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載的取值參照當(dāng)時(shí)有效的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)GB 50009－2001，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按B類地貌采用。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：

新規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009－2012于2012年10月1日開(kāi)始實(shí)施，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按B類地貌采用。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：

規(guī)范之間的區(qū)別見(jiàn)圖3，可以看出2012規(guī)范中的風(fēng)壓高度變化系數(shù)小于2001規(guī)范中的風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

6 柱軸線偏差分析及結(jié)果

6.1 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

圖3　不同版本規(guī)范中的風(fēng)壓高度變化系數(shù)

根據(jù)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別復(fù)核計(jì)算了以下12種情形。

不存在施工缺陷：

(1) 按照2001荷載規(guī)范給出的風(fēng)壓高度變化系數(shù)計(jì)算。

(2) 按照2012荷載規(guī)范給出的風(fēng)壓高度變化系數(shù)計(jì)算。

存在施工缺陷，按照2012荷載規(guī)范給出的風(fēng)壓高度變化系數(shù)計(jì)算。

(3) 在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱外側(cè)的施工偏差。

(4) 在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

(5) 在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱外側(cè)的施工偏差。

(6) 在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

(7) 在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱外側(cè)的施工偏差。

(8) 在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

(9) 在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱外側(cè)的施工偏差。

(10)在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

(11)在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱外側(cè)的施工偏差；在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

(12)在15.391 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔外，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差；在8.164 m標(biāo)高處，出現(xiàn)徑向偏向塔內(nèi)，切向偏向支柱內(nèi)側(cè)的施工偏差。

6.2 計(jì)算方法

計(jì)算采用的是ANSYS軟件。

計(jì)算存在缺陷的冷卻塔時(shí)，在支柱缺陷標(biāo)高處施加一個(gè)幾何位移，來(lái)模擬實(shí)際出現(xiàn)不同施工偏差狀況的冷卻塔，將計(jì)算的結(jié)果與無(wú)缺陷的冷卻塔支柱進(jìn)行比較。

各個(gè)情形穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表2。

表2　各種情形下的冷卻塔特征值屈曲安全系數(shù)

從以上各個(gè)情形下的屈曲安全系數(shù)來(lái)看，所有結(jié)果均滿足規(guī)范中規(guī)定的屈曲安全系數(shù)不小于5的要求。按照2001規(guī)范計(jì)算(情形1)所得出的屈曲安全系數(shù)最小，按照2012規(guī)范計(jì)算(情形2)所得出的屈曲安全系數(shù)最大。相比2012規(guī)范計(jì)算(情形2)，存在缺陷的冷卻塔屈曲安全系數(shù)略有下降。

計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3　配筋結(jié)果匯總

續(xù)表3　

由以上對(duì)比結(jié)果可以看出，支柱的徑向和切向最大的配筋出現(xiàn)在情形1，即“不存在施工缺陷的狀態(tài)，按照2001規(guī)范中風(fēng)壓高度變化系數(shù)所計(jì)算”。

因此，可以看出，施工產(chǎn)生的偏差對(duì)支柱造成的影響小于規(guī)范中風(fēng)壓高度變化系數(shù)所產(chǎn)生的影響，施工圖中X支柱所配置的鋼筋可以滿足按照2012規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)變化以及產(chǎn)生了施工缺陷共同作用所計(jì)算的結(jié)果。

7 結(jié)論

(1)已建成的間冷塔存在施工偏差。與《雙曲線冷卻塔施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中的施工允許偏差標(biāo)準(zhǔn)相比, 最大中線偏差已經(jīng)超出施工規(guī)范的允許值390%，施工實(shí)際偏差大于規(guī)范中的允許值。

(2) 2001版荷載規(guī)范和2012版荷載規(guī)范的更迭對(duì)支柱的配筋計(jì)算結(jié)果存在影響，按照2012版荷載規(guī)范計(jì)算得到的鋼筋面積小于按照2001版荷載規(guī)范計(jì)算值。

(3)對(duì)比10種不同的柱軸線偏差情況，從穩(wěn)定方面，10種支柱產(chǎn)生偏差的情況對(duì)于冷卻塔穩(wěn)定性的影響很小。

(4)對(duì)比10種不同的柱軸線偏差情況，根據(jù)柱截面配筋計(jì)算結(jié)果，表明原設(shè)計(jì)的配筋面積有一定的富裕度，結(jié)構(gòu)是安全的。

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Indirect Dry CoolingTower Safety Influence by X-shaped Columns Construction Tolerance Analysis

LIANG Ya-li, LI Wu-shen, LIU Shu-ping, HOU Xian-an
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

Abstract:The paper introduces X-shaped columns construction tolerance of indirect dry cooling tower for 1X200MW power plant in detail, according to three-dimensional scan measure value. The ANSYS (Finite Element Analysis ) software has been used for appearance defect cooling tower in the analysis of linear systems.Different construction tolerance will produce an effect on the cooling tower’s reliability and X-shaped columns’s strength by contrast, For calculating these formulas automatically and efficiently, then,we can get several results based on calculating result.

Key words:indirect dry cooling tower (IDCT); X-shaped columns; construction tolerance analysis.

作者簡(jiǎn)介：梁婭莉(1974- )，女，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

* 收稿日期：2015-03-25

中圖分類號(hào)：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913(2015)06-0049-05