排烟冷却塔筒壁高位开孔施工技术

【摘要】 排烟塔（烟塔合一）在国内处于起步阶段，这项新技术不仅发挥明显的环保作用，而且体现出许多技术优势，具有重要的实践意义。排烟塔筒壁高位开孔施工技术是排烟塔施工的关键技术之一，该文详细介绍了高位开孔采用的“钢梁支承的洞口加固技术”，此项技术与筒壁三角架翻模施工工艺完美结合，充分体现了安全、质高、时间短、经济性好、便于操作等特点。
【关键词】 排烟塔 高位开孔 施工技术

一、引言
　　排烟塔（烟塔合一）技术虽在国内已研究多年，但最近一两年内才开始应用于工程实践，目前正处于起步阶段，还没有排烟塔工程的成功经验，但由于烟塔合一技术能发挥明显的环保作用，体现出许多技术优势，所以这一技术创新项目具有重要的实践意义，有着广阔的前景，它的成功在火电厂发展史上具有里程碑意义。
　　三河发电厂二期扩建2×300MW机组工程，采用烟塔合一技术，其脱硫后烟气通过逆流式自然通风冷却塔排放，本期工程建设两座淋水面积4500m²的双曲线型钢筋混凝土排烟冷却塔。该塔技术参数为：进风口高度7.8m，底部直径79.7m，喉部直径44.3m，出口直径47.2m，总高度120m。
　　该工程由北京国电华北电力工程有限公司设计，由河北省电力建设第一工程公司承建，是国内设计、国内施工，拥有自主知识产权的项目。
　　该工程于2006年开工建设，计划2007年投入使用。
　　在施工技术方面，排烟冷却塔与普通冷却塔最大的区别体现在三方面：一是筒壁开孔技术，二是防腐施工技术，三是烟道制作及穿孔技术，这三项新技术也是排烟塔施工的关键技术。本文重点叙述排烟塔高位开孔施工技术。
　

二、工程概述及主要特点
　　由于脱硫后的烟气通过烟道需要直接进入冷却塔，所以在筒壁上须留置烟道进孔，本工程进塔烟道中心在筒壁标高39m处，烟道直径5.2m，预留洞口直径7m，属高位开孔，洞口中心点半径为29006mm。该洞口意为直径7m的圆柱体与曲线面筒壁水平斜交而形成，但洞口中心线未通过塔中心。
　　开孔处筒壁的厚度渐变增加，设计加固，这部分施工范围为：在子午向从筒壁第17节顶至第34节顶（斜长约21.9m），水平向长度（直线长度）约16.7m。壁厚过渡由180mm渐变成360mm（此部位筒壁正常厚度均为180mm），子午向过渡部分上下各2节模板（模板高度1300mm，宽度1000mm），水平向过渡部分为左右各2块模板，开孔处壁厚为360mm，这部分范围(16.7m×21.9m)为叙述方便称为开孔加固范围。直径7m洞口跨越筒壁第23节至第29节，此范围内称为开孔位置或开孔处。
　　钢筋配置从第13节至第38节(33.8×16.7m)在开孔区域内采用加固配制，不同于筒壁的钢筋，配筋率有所增加，筒壁配筋在壁厚渐变到360mm时为止，开孔处配置的水平筋伸至开始渐变部分止。开孔四周另辅射开口箍筋及加固筋。
　

三、高位开孔施工技术
1、高位开孔施工的难点
　　筒壁高位开孔是一项新技术、新施工工艺，国内没有经验参考。
　　由于筒壁是双曲线型式，洞口各种尺寸存在不规则性，控制难度较大。
　　开孔位置较高。
　　筒壁施工工艺采用三角架翻模工艺，高位开孔施工须与筒壁每节施工相结合。
　　筒壁施工用三角架及模板体系为空间体系，受力复杂，荷载分布复杂。
2、方案制定的原则
　　以紧密依托筒壁三角架翻模施工工艺体系为前提，以技术先进、方案可靠，经济、实用，操作方便为指导原则，并做到四个保证：一要保证开孔的位置准确，二是保证开孔大小准确，三是要保证开孔周边的筒壁半径、截面尺寸准确，四是保证开孔施工的安全。
3、钢梁支承的洞口加固技术
　　根据本工程的特点和难点及方案制定的原则要求，本工程筒壁高位开孔施工采用“钢梁支承的洞口加固技术”。在开孔处筒壁第23节至第28节每节顶即上下两节接合处设置六道钢梁，每道钢梁为2×［20槽钢组合钢梁，开孔位置处的三角架、模板系统及施工荷载通过对拉螺杆把荷载传递给钢梁，钢梁承受全部荷载，钢梁通过洞口边缘的埋件与筒壁锚固。这样型钢与三角架及模板系统形成一个整体的骨架，同时，为避免型钢梁截面过大、过重，引起施工上的困难，在上下两道型钢梁之间增加腹杆（每米设一根［10槽钢），形成桁架体系。（受力验算情况见后所述）
　　型钢布置如图1。
4、钢梁支承洞口加固方案的计算
　　（1）计算需求：荷载通过螺杆传递给型钢梁，型钢梁承受施工过程中的全部荷载。根据开孔处跨越第23节至29节，型钢梁受力在最上一层第29节混凝土浇筑时，上半部第27-29节钢梁不仅承受三角架及模板系统各种静载和施工动载，而且也承受新浇筑的混凝土重量，受力最大是在当进行第29节混凝土浇筑时，第27节螺杆传递给型钢梁的力，受荷最大，需要对第⑤道钢梁进行受力验算。

图1

表1 经计算的加固型钢梁尺寸表

钢梁编号	中心标高(m)	中心半径(mm)	两道型钢内外弧长(mm)		备注
①	34.762	29809	内侧	3367	第23节位置
			外侧	3467
②	36.003	29472	内侧	6038	第24节位置
			外侧	6138
③	37.245	29141	内侧	7000	第25节位置
			外侧	7100
④	38.490	28817	内侧	6980	第26节位置
			外侧	7080
⑤	39.736	28500	内侧	6000	第27节位置
			外侧	6100
⑥	42.233	28188	内侧	3050	第28节位置
			外侧	3100

　　从表1可以看到，第③号钢梁（第25节）中心长L=7050mm、第④号钢梁（第26节）中心长L=7030mm长度最长且接近，计算时须对最长型钢梁进行验算，取第26节第④号钢梁进行验算。
　　计算要求：对结构模型进行内力分析，并进行型钢梁受力验算、节点验算。钢梁支承洞口的稳固性，即钢梁承受筒壁压应力计算。筒壁在开孔位置竖向应力计算，即确认混凝土要达到的强度。筒壁在开孔位置竖向应力计算孔中心标高处（3.5m处）截面验算，即洞口两侧混凝土抗倾覆验算等等内容。
　　（2）计算假定：
　　筒壁施工用三角架系统受力复杂，三角架与模板系统环向和竖向三层各杆件ABCDEFGHK各点（如下结构受力模型图）均为螺栓连接，通过组成一个复杂的空间结构，其上主要施工荷载在外侧，荷载随施工工序的变化而经常变化，如在拆支模和混凝土时受荷不一样。为简化计算，作如下假定：
　　A、三角架水平杆、斜杆和竖杆共同组成一个平面三角形桁架，承担施工荷载；
　　B、三角架竖向三层认为在一个平面内；
　　C、开孔处风荷载全部由三角架及模板承担；
　　D、假定对拉螺杆的对销点与三角架竖杆的两处铰接点H、K重合；
　　E、环向每榀三角架间距为1m，每层模板高度取1.3m，每块模板设上下两道对拉螺杆，每块模板对应一榀三角架，对应上下两道对拉螺杆；
　　F、由于施工过程中主要施工荷载均在外侧，内侧传递到型钢上的力相对小的多，计算时可采用较大安全系数来满足。
　　（3）荷载取值如下：
　　G1：模板、每榀三角架及其附件重
　　G2：操作平台铺板重
　　G3：安全网按实际重量
　　G4：每榀吊栏及脚手板荷重
　　G5：吊栏上施工荷载
　　P：当物体坠落至安全网上时的冲击力
　　G6：混凝土浇筑完成后硬化之前的荷载
　　q₁：施工荷载，按最不利时荷载
　　q₂：风荷载
　　（4）计算近似简图
　　结构受力模型见图2所示。
　　（5）受力计算
　　a）内力计算
　　通过荷载分析及空间体系内力分析（计算过程从略），内力最大值如下：
　　第⑤号梁（第27节钢梁）：
　　My=10.03kN•m
　　Mx=4.97kN•m
　　Vx=53.72kN
　　Vy=5.82kN
　　T=0.04kN•m
　　N=330.94kN
　　第④号梁（第26节钢梁）：
　　My=25.56kN•m
　　Mx=4.53kN•m
　　Vx=40.87kN
　　Vy=2.01kN
　　T=0.04kN•m
　　N=332.23kN
　　腹杆：N=4.4kN

图2

　　b）验算（只提供计算结果，过程从略）
　　钢梁验算
　　钢梁采用两根［20槽钢组合钢梁，腹杆采用每米一道［10槽钢，则验算如下：
　　第⑤号梁（第27节钢梁）：
　　根据内力计算结果，对内侧钢梁梁端进行强度验算抗弯验算：
　　　　满足
　　抗剪验算：由于采用热轧型钢，能满足抗剪要求。
　　抗扭验算：由于扭矩较小(0.037 kN.m)，忽略。
　　第④号梁（第26节钢梁）：
　　根据内力计算结果，对内侧钢梁梁端进行强度验算抗弯验算：
　　满足
　　抗剪验算：由于采用热轧型钢，能满足抗剪要求。
　　抗扭验算：由于扭矩较小(0.037 kN.m)，忽略。
　　节点设计
　　连接板节点设计
　　腹杆与槽钢连接采用在—400×340×10的钢板上焊接连接。焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为h_f=8mm，计算采用5.6mm。
　　焊缝强度验算：
　　水平：焊缝长度150mm，[ 形围焊缝，双侧双面：
　　满足
　　满足
　　竖直：焊缝长度50mm，双侧，双面
　　满足
　　支座节点计算
　　钢梁支座采用钢梁与连接钢板焊接，连接钢板与预埋钢板焊接，连接钢板尺寸为-12×300×250，焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为h_f=6mm。预埋钢板尺寸为-14×360×300。焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为h_f=10mm。
　　经计算支座设计荷载为：
　　My=29.08kN.m
　　Mx=3.56kN.m
　　N=330.45kN
　　经计算，钢梁与连接钢板的围焊缝最危险点计算应力为： ，满足。
　　连接钢板与预埋板的条焊缝，最危险点计算应力为： ，满足。
　　钢梁支承洞口的稳固性
　　由于筒壁开孔造成不连续，需求对钢梁支承洞口的稳固性即承受筒壁压应力验算。开孔处筒壁砼对加固型钢梁的压应力按上述计算结果第26节为N=332.23kN，第27节为N=330.94kN，并按压弯构件对第26节、27节钢梁进行了计算，经上述计算，验证，确认设计用型钢梁能够满足稳固性要求。
　　筒壁在开孔位置竖向应力计算
　　计算原则：筒壁被开孔处截断时，局部的假想破裂面沿开孔底沿两侧按45。方向延伸，此时筒壁按悬墙核算，进行混凝土需要达到强度计算。
　　总荷载及受力计算如下：
　　荷载取值：
　　三层三角架荷载：
　　G1×3+G2+G3+G4+q1=11550N
　　7m高混凝土自重：
　　2500×0.36×7=6300kg=63000N
　　风荷载按500N/m²，体型系数1.3。
　　悬墙底面应力：
　　应按弹塑性/铰破裂面应力计算，而为了简化计算，借用孔底标高的水平面验算，是偏于安全的。沿圆周水平方向取1m宽条带作为计算单元。
　　7m开孔上下半径差为1860mm，则悬墙重心偏离底面中心的距离为1860/2=930mm
　　底截面的压力为：N=(11550+63000)×1=74550N（不计脚手架荷载的偏心影响，偏于安全）
　　底截面的弯矩为：M=74550×0.93+500×7×1×（7/2）×1.3=85257Nm
　　开孔处筒壁纵向钢筋分布为受力筋HRB400Φ20@100，A_s=3140mm²，f_y=360N/mm²，按混凝土强度达到C15，钢筋按HPB235计算，f_y=210N/mm²，计算。
　　全高7m截面强度验算：
　　
　　所以洞口施工过程中混凝土强度达到C15即可满足承载要求。
　　孔中心标高处（3.5m处）截面验算
　　本计算为开孔处抗倾覆验算。
　　底截面（7m长）处的压力：N=(11550+63000/2)×7=301350N（按三层计，不计脚手架荷载的偏心影响，偏于安全）。
　　底截面的弯矩为：M=301350×0.465+500×7×1×(3.5/2)×1.3=148090Nm
　　则垂直产生的压应力为：
　　　　
　　经上述计算，对结构模型进行了荷载分析，确定了内力，并根据受力对型钢受力、节点等内容进行了验算均能满足要求。对开孔处钢梁支承的稳固性进行了确认，满足洞口加固的要求。对施工过程中混凝土能强度要求进行了验算，确认混凝土达到C15即能满足要求。对洞口两侧混凝土抗倾覆进行了验算。本施工采用的“钢梁支承的洞口加固技术”满足施工各项要求。
5、施工方案
　　1）方案综述
　　筒壁高位开孔施工采用“钢梁支承的洞口加固技术”，共设置六道2×［20槽钢钢梁（背靠焊接组合），钢梁通过埋件与筒壁相连，腹杆采用每米［10槽钢支承，腹杆与钢梁用连接板焊接，形成桁架体系。
　　施工时随着筒壁每节的施工逐层安装开孔周圈的护角埋件以控制开孔位置、尺寸，找正验收后安装钢梁和腹杆，焊接用于内外三角架连接用的对拉螺杆，封内外模板。
    2）开孔位置控制
　　由于双曲线型筒壁的特殊性，洞口中心又非通过塔中心，造成洞口周圈尺寸极不规则，很难准确控制。而开孔位置及洞口各处尺寸准确是施工控制的关键。根据洞口设计的特点，本工程利用洞口周圈的护角埋件来控制洞口尺寸的方法，变难为易，变复杂为简单。
　　如果利用洞口周圈设计的护角埋件，埋件位置准确则洞口自然准确，但埋件也存在不规则性，每部位每点尺寸都不一致，又烟道中心非通过塔中心，子午向中心两侧也不对称。为保证护角埋件尺寸的准确，通过CAD结合放大样完成埋件尺寸的定位，又把其按照节数分成内外各10段并分别进行了编号，随每节筒壁的施工安装就位，安装时仅控制标高、中心线、某些点的弦长即可，这样把多点控制通过几点控制，简化控制难度，大大提高控制精度，变不易控制为易控制，变不易操作为易操作。内外埋件定位完成后，洞口截面尺寸自然形成。难点是需经大量的CAD制图及计算，以获得准确的控制数据。
　　施工时随每节筒壁的施工对每层埋件通过标高引测、方向角度控制、每块埋件上口通过中心两侧的弦长控制、半径控制等准确定位洞口内外位置，这样通过每层的洞口埋件控制即把开孔位置控制准确。
其它如开孔加固范围控制、加固区钢筋、渐变区等施工较简单，不再赘述。

四、方案的实施
　　在方案实施的过程中，针对开孔施工成立了三个专题小组分别对技术保障、质量监控、安全监督和应急处理等几方面实行全过程强化管理和控制。由于方案先进、缜密、细致入微，施工中未出现任何不利情况，对已拆模的几节进行了实测，开孔尺寸、标高等准确无误，开孔周边筒壁尺寸控制准确、无变形，实测数据非常理想，方案实施获得成功。
　　钢梁支承的洞口加固技术，加固用钢材2.1t。
　　#3排烟塔从2006年8月12日至27日完成，历时16天，8月31日钢梁拆除完成。#4排烟塔从2006年9月4日至16日完成，历时13天，9月19日钢梁拆除完成。
　　经施工过程对洞口实测各项数据都非常理想，弦长偏差都在±10mm之内，重要实测数据如下：
　

项目	#3塔偏差	#4塔偏差
底标高mm	-7	-9
顶标高mm	-3	+9
中部弦长mm	-5	0

五、成果综述
　　高位开孔这一新技术在国内首次实践，获得了成功。
　　该技术在施工过程未使用任何吊装机械、未搭设任何支承脚手架，与筒壁三角架翻模施工工艺完美结合，充分体现了安全、质高、时间短、经济性好、便于操作等特点。