文/王发涛 中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 山东济南 250102

1、项目背景

广东陆丰甲湖湾项目烟囱工程高243.5m，该烟囱东南、西北方向外筒壁为弧形面，西南、东北方向外筒壁为直面，外部尺寸在190.5m处发生突变（标高0m～190.5m间外部尺寸为：23m×17.8m，标高190.5m～240m间外部尺寸为21.800m×16.600m）。烟囱内筒壁设计为变坡异型体，直面方向内筒壁厚度从1.800m～0.400m分层递减变化，弧面方向筒壁厚度东南侧从2.9m～0.400，西北侧从2.000m～0.400m分层递减变化。

异型变截面烟囱是一种新型结构形式，施工中烟囱阴阳角处的施工将影响着烟囱的外观质量，弧面与直面的施工用模板同样对异型烟囱外观成形起着重要作用因此需要制作一套适用于该异型烟囱施工用的钢模板。

2、异型烟囱用模板研制过程

2.1 烟囱施工用模板介绍

传统的烟囱施工采用的收分模板、普通内模板、外模板及轨道模板，而异型烟囱还需要阴阳角模板。内外模板根据外形形状及拆分便易性，外模板分为770/1500模板、393/185/1500阳角模板、566/355/1500阳角模板，内模板分为570/1500模板、100/1500模板、150/1500模板、230/1500模板、300/1500模板。

2.2 浇筑混凝土模板承受面压力计算

已知混凝土的入模温度设为25℃，塌落度为150±30mm，混凝土的浇灌速度不大于1m/h。

（1）混凝土侧压力标准值的计算（取两式中较小值）

F1=0.22rc·t0·β1·β2·v=0.22×25×200/40×1.0×1.15×1∧½=31.62kN/m²

F1=γc H=25×1.5=37.5kN/m²

取较小值F1=31.62 kN/m

式中：F1——新浇筑混凝土对模板的侧压力，kN/m ；γc——混凝土的重力密度，kN/m

to——新浇混凝土的初凝时间（h）可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用to=200/（T+15）计算（T为混凝土的温度℃）；

V——混凝土的浇筑速度，m/h；

H——混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，m；

β1——外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；50～90mm时，取1.0；110～150mm时，取1.15。

（2）混凝土侧压力设计值

计算模板及支架的荷载设计值应采用标准值乘以荷载的分项系数，《建筑施工手册》>表8-27得模板及支架分项系数γ1值为1.2。

侧压力计算F2=γ1×K×F1=1.2×1×3 1.62=37.94kN/m²（模板采用钢模板，为保守计算，折减系数取1）

（3）倾倒砼时产生的水平荷载

查建筑施工手册表得倾倒时产生的水平荷载标准值q值为2 kN/m²；查表模板及支架分项系数γ2值为1.4。所以倾倒混凝土产生的水平荷载为F3=q×γ2=2×1.4=2.8KN/m2。

2.3 受力简化模型

由于模板与模板之间通过螺栓连接，同时烟囱壁内外的对应模板通过两对对拉螺栓连接，所以，在对模板受力分析计算时，立体模型简化为三边固定、单边自由的平面板，平面模型简化为带悬臂的梁。综上所述，荷载组合=混凝土侧压力设计值+倾倒混凝土时产生的水平荷载设计值（荷载组合：当墙厚＞100mm的侧面模板时），浇筑混凝土产生的模板侧压力：F=F2+F3=37.94+2.8=40.74 KN/m2。

2.4 对拉螺栓位置确定

模板在应用过程中，受力状态为三边简支，承受面载荷，根据边界条件，将模板简化为一端固定，两端带悬臂的梁选取770/1500模板为计算模型，假设两块模板的对拉螺栓孔距离模板一端的间距为m、两个螺栓孔的间距为l，计算梁的挠度为公式：

以m为变量，考察梁的最大挠度值，利用Matlab编程绘制，f与m之间的函数关系得到的距离m与挠度f之间的函数关系如下图1：

从图中可以看出，当m=357.9mm时，该模板的最大挠度值最小，根据工程实际，选取m=355mm。

2.5 模板结构有限元分析

（1）由于异型烟囱的模板布置呈现对称的形式，为了降低计算的复杂度和节约解算空间，取整体模型的四分之一进行简化运算。

（2）模板结构整体分析计算

对四分之一模型进行建模。施加三面简支边界条件、施加面压力0.04074MPa，最大应力为139MPa，经查，为局部集中应力所致，该区域应力递减趋势明显，可忽略集中应力作用， 钢模板的许用应力为215MPa，许用变形为1.92mm。从总体受力模型看，强度和挠度均符合实际要求。模板总体看符合要求，但是总体模型看不出局部或者单块模板的受力工况，有必要进行进一步的单块模板的受力分析。

图1 螺栓孔位置优化曲线

2.6 分体有限元分析计算

对770/1500、阳角模板进行分体独立计算，由于为单体分析，采用模板四边简支的约束方法，同时施加面载荷，采用高精度四面体单元划分网格，应用shell181板壳单元，得到的应力、挠度及局部稳定性计算如下。770/1500模板：施加边界条件及面载荷0.04074MPa

经过计算，该模板的最大应力与最大挠度均小于许用应力与许用挠度，局部稳定性的一阶屈曲系数为30，满足稳定性要求。阳角模板进行应力及挠度分析，经过计算分析，该模板的最大应力与最大挠度均小于许用应力与许用挠度，局部稳定性的一阶屈曲系数为48，满足稳定性要求。

结论：

对异型烟囱的施工用模板进行受力分析，并且对模板加固对拉螺栓孔进行优化分析，最终通过有限元分析方法对普通模板及阳角模板进行分析验算，验证了模板结构设计的合理性，为工程实际模板制作，提供了支持。