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(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著空冷技術(shù)在北方富煤缺水地區(qū)大容量發(fā)電機組中的廣泛應(yīng)用，配套空冷塔的規(guī)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(qū)，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(nèi)外絕大多數(shù)混凝土自然通風(fēng)空冷塔通常都采用現(xiàn)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(xiàn)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(fēng)險大，施工安保費用高。

圖1 空冷塔X支柱滿堂腳手架現(xiàn)澆施工工藝

為了縮短施工工期及改善施工質(zhì)量，土耳其某燃煤電廠曾嘗試使用預(yù)制鋼筋混凝土X支柱建設(shè)空冷塔，如圖2所示。雖然預(yù)制方案可以省卻滿堂腳手架搭拆及分段現(xiàn)澆環(huán)節(jié)，但由于X支柱高度大，重量重，水平轉(zhuǎn)運困難，只能就地預(yù)制。預(yù)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(yù)制鋼筋混凝土X支柱

為了克服現(xiàn)澆及預(yù)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(fēng)直接空冷塔建設(shè)中在國內(nèi)外首次采用了鋼管混凝土X支柱技術(shù)。實踐證明其施工速度快、施工質(zhì)量高、起吊難度適中等優(yōu)點，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 鋼管混凝土工作原理及統(tǒng)一理論

鋼管混凝土可彌補兩種材料各自的缺點，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點，如圖3所示。

圖3 鋼管混凝土的優(yōu)點

2.1 鋼管混凝土工作原理

1)外包鋼管對管內(nèi)混凝土施加側(cè)向約束，使混凝土處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，延緩了混凝土材料縱向微裂縫的發(fā)生和發(fā)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(nèi)填充的混凝土的支撐作用，增強了鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，改變了鋼管的失穩(wěn)模態(tài)，避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而保證鋼材性能的充分發(fā)揮，提高其承載能力；3)鋼管內(nèi)部不配置鋼筋，省卻了鋼筋綁扎工序，節(jié)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(gòu)件橫截面小，節(jié)省材料，經(jīng)濟性好。

由于其突出的優(yōu)點，鋼管混凝土已經(jīng)在大型拱橋、民用超高層、特高壓輸電塔等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法和施工工藝都已相當(dāng)成熟，國內(nèi)外已有多本規(guī)范標準[1-4]實施。

2.2 鋼管混凝土統(tǒng)一理論

為了簡化鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的分析計算，基于其工作原理，哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(tǒng)一理論”[5]，其含義是：鋼管混凝土構(gòu)件的性能隨著物理參數(shù)、幾何參數(shù)、應(yīng)力狀態(tài)及截面型式的改變而變化，變化是連續(xù)的、相關(guān)的和統(tǒng)一的。

與其他理論相比較，統(tǒng)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(qū)分，從而摒棄了內(nèi)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(xué)性能指標，并用這些力學(xué)性能指標來計算構(gòu)件的承載力和變形，使設(shè)計工作大為簡化。

3 冷卻塔鋼管混凝土X支柱分析與設(shè)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(tài)。冷卻塔鋼管混凝土X支柱宜采用“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”進行內(nèi)力分析。其優(yōu)點是，對已有的冷卻塔結(jié)構(gòu)分析軟件無需或稍加改造便可方便地實現(xiàn)鋼管混凝土支柱的等代桿件輸入、建模及分析計算，再根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果對鋼管混凝土X支柱進行截面設(shè)計和節(jié)點設(shè)計。

3.2 截面設(shè)計

鋼管混凝土X支柱截面的設(shè)計過程如下：

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

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

3)利用已有的冷卻塔結(jié)構(gòu)分析軟件進行內(nèi)力分析計算；

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

5)重復(fù)上述過程，直至滿意跳出循環(huán)。流程如圖4所示。

圖4 截面設(shè)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(shù)(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(gòu)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(shù)輸入現(xiàn)有的冷卻塔結(jié)構(gòu)分析計算軟件中，可以計算得到支柱截面內(nèi)力。

根據(jù)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(guān)曲線。

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

圖6 疊加各工況下內(nèi)力點(N、M)后的N-M相關(guān)曲線

根據(jù)內(nèi)力點分布與N-M相關(guān)曲線的位置關(guān)系就可以判斷鋼管混凝土柱截面設(shè)計是否安全，根據(jù)需要相應(yīng)迭代調(diào)整鋼管混凝土柱的截面參數(shù)。

3.3 節(jié)點設(shè)計

鋼管混凝土X支柱的關(guān)鍵節(jié)點包括：加強型X節(jié)點、柱底連接節(jié)點和柱頂鋼環(huán)梁連接節(jié)點。

國內(nèi)某設(shè)計院聯(lián)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(yīng)用展開理論、數(shù)值及節(jié)點試驗研究，取得一系列研究成果[6]。

數(shù)值分析及節(jié)點試驗對比表明，交叉點是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)在X型鋼管柱左右柱肢交叉處采用加強型X節(jié)點[7]。強型X節(jié)點由拉接板、加勁環(huán)和加勁肋組成，如圖7所示。

圖7 加強型X節(jié)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(shè)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(jié)點示意圖

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

圖9 柱頂鋼環(huán)梁連接節(jié)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(jié)構(gòu)部件的工廠加工、現(xiàn)場焊接組拼起吊單元、起吊單元吊裝就位、澆筑管內(nèi)混凝土等過程。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)部件工廠加工及現(xiàn)場組拼

鋼管X支柱加強型交叉節(jié)點、柱頂鋼環(huán)梁、柱鋼管等數(shù)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(xiàn)場。

在現(xiàn)場組裝胎架上把加強交叉節(jié)點、柱鋼管、鋼環(huán)梁等部件焊接組拼成一個完整的起吊單元。

現(xiàn)場焊接工作量較小，鋼管柱組拼可多榀并行作業(yè)，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(xiàn)水平轉(zhuǎn)運和起豎吊裝。起吊單元的支撐就位及調(diào)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(chǔ)上的臨時剛性支撐柱實現(xiàn)，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(jié)等。

圖10 X支柱吊裝

在剛性支撐柱根部挑梁與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置千斤頂，待整榀支柱的俯仰度調(diào)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(jié)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(nèi)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(yè)冷卻塔結(jié)構(gòu)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(shù)為世界首創(chuàng)，已獲多項專利授權(quán)[8-10]，并首先在陜西某煤電一體化2×660 MW電廠項目中應(yīng)用，建設(shè)完成了世界首例鋼管混凝土X支柱冷卻塔(塔高188 m，進風(fēng)高度29.6 m，38榀X支柱)。

采用鋼管混凝土X支柱后，與預(yù)制方案相比，起吊重量由預(yù)制混凝土X支柱方案的數(shù)百噸降低為約55 t；與現(xiàn)澆方案相比，無滿堂腳手架的高空搭拆作業(yè)環(huán)節(jié)，節(jié)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(jié)點相比分別提前了1.5個月和5個月，創(chuàng)造了同規(guī)模冷卻塔斜支柱的施工記錄，節(jié)約施工措施費約30%。

6 結(jié)論

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土斜支柱冷卻塔相比，鋼管混凝土斜支柱技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1) 鋼管混凝土斜支柱具有更為優(yōu)良的力學(xué)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(jié)省材料，性價比更高。

2) 采用鋼管混凝土技術(shù)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(jié)構(gòu)加工制作采用工廠化加工+現(xiàn)場組拼模式?？刹⑿薪徊孀鳂I(yè)，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(jié)省40%以上。無需定型和異型模板，節(jié)約建筑資源，綜合造價可降低20%～30%。

5) 采用鋼結(jié)構(gòu)柱整體吊裝及管內(nèi)混凝土泵送頂升一次到頂?shù)仁┕し桨?，避免了龐大的鋼管腳手架的搭拆高空作業(yè)環(huán)節(jié)，節(jié)省人工的同時降低了施工風(fēng)險。

6) 工廠化加工及現(xiàn)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(zhì)量和安全性。

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