蒋玲玲

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

陕能麟游钢结构间冷塔钢结构工程位于陕西省宝鸡市麟游县，是世界首座“烟塔合一”钢结构冷却塔，首次采用了铝蒙皮内侧布置方式。钢结构间冷塔主要由下部锥体、圆筒塔体、外部加强环、展开平台、上塔爬梯、内侧檩条及铝蒙皮等部分组成（图1）。其中下部锥段呈向内倾斜的圆锥台壳状，其底部直径为147.5 m，顶部直径为98.5 m，高55.0 m，结构厚1.0 m，与水平面夹角为66.0°。

图1 间冷塔立面示意

工程所在地夏季最高气温可达35 ℃左右，冬季最低气温可达－20 ℃左右，年平均降水量619.1 mm，呈单峰型，主要集中在5—10月。场区表层覆盖深逾10 m的湿陷性黄土，在雨水浸润后呈现软黏状态，易发生下沉变形，施工环境不甚理想。

2 无调控装置的锥段结构受力分析

锥段结构因其较大的倾斜构型，在结构未成环阶段受自重和风载等作用，将产生不可逆或可逆的变形与附加应力，为评估此性状，以最不利的P5层锥段结构为对象进行不考虑任何调控措施下的受力分析。分析考虑结构自重和风荷载作用，其中结构自重按实际深化质量换算为杆件线荷载进行施加。风荷载按基本风载0.20 kN/m2计，迎风面积为整个铝蒙皮板面积，体型系数取1.30，并同样等效为杆件线荷载进行施加。具体分析结果如图2所示。

由图2可知，在不考虑调控措施下，锥段P5层结构在自重荷载标准值作用下将产生3 cm的竖向变形及近7 cm的径向位移，既无法满足设计文件要求的容许安装误差值，又将产生130 MPa左右的附加应力，严重影响锥段结构的成环质量，并给后续施工及投产使用埋下难以估量的风险。

图2 不考虑调控措施的锥段P5层结构分析结果

同时，考虑与风载的基本组合，其最大应力将达到307 MPa，已超过钢材的强度设计值，存在倒塌的风险。由此可见，锥段施工必须采用调控装置来有效控制自重下结构的下挠变形和附加应力，并防止风载下结构的倒塌倾向。

国外既有施工方法采用可移动刚性支撑架作为间冷塔锥段结构的调整和临时支撑装置。可移动支撑架体型庞大，造价较高，因此数量一般仅为1～2个，所以该方法仅能保证锥段结构吊装单元未焊接前的稳定，待焊接完成后即需移走以用于后续吊装单元的调整和就位。可见，按国外施工方法无法满足前文要求。

此外，本工程场地表层覆盖深厚的湿陷性黄土，受雨水浸润后将严重影响车辆开行，且易产生较大的下沉变形，因此移动式刚性支撑架难以适用于本工程。综上，如何结合本工程气候、地质特点，研制适宜得当的锥段结构施工工艺和装备，实现高、重、倾锥段结构吊装单元的精确就位，保证其未成环阶段的稳定性和控制其下挠变形，切实提高锥段结构施工质量，是本间冷塔工程建设的一项重、难点[1-8]。

3 大型间冷塔锥段施工技术

3.1锥段施工总体方案

锥段结构总高50 m，最大吊装单元长15.1 m，质量约12.4 t。按其吊重和吊装高度，大型汽车吊、履带吊和塔吊均可满足吊装性能要求。考虑到汽车吊施工效率低下，固定式塔吊难以完全覆盖锥段结构，移动式塔吊需对大面积湿陷性黄土进行加固与表层硬化等处理，代价昂贵，因此本工程同国外间冷塔一致，采用履带式起重机作为锥段结构主起重设备。具体为：在间冷塔内布置1台150 t履带吊，在间冷塔外布置1台200 t履带吊。

考虑到湿陷性黄土给刚性支撑带来的下沉隐患，本工程研制了预应力缆索成套调控装置，既可满足吊装单元的精调作业，又可控制未成环阶段结构的下挠变形。通过对锥段结构施工过程的系统分析，制订了详实的锥段结构施工流程，明确了预应力缆索调控装置的翻拆规则，在保证锥段结构成环精度和质量的前提下力求调控装置投入的最少化，降低施工成本投入。此外，制订了每层结构起始必须同时完成2片吊装单元的焊接作业后，方可松钩，以形成较稳定结构，提高安全性的施工要求。

具体锥段结构的高空安装工序如下（图3）：安装1#～2#三角架并拉缆索固定→依次安装3#～8#三角架，设置缆索固定；依次完成1#～6#三角架连接节点的焊接工作→安装9#～10#三角架，设置缆索固定；完成7#～8#三角架连接节点的焊接工作；此后拆除1#与2#间连接节点处的缆索→安装11#～12#三角架，设置缆索固定；完成9#～10#三角架连接节点的焊接工作；此后拆除1#与3#间连接节点、2#与4#间连接节点处的缆索→依此类推，完成P2层所有三角架的安装工作；完成所有连接节点的焊接工作→拆除剩余缆索，同前流程依次进行其余层锥段结构安装。

图3 间冷塔锥段安装示意

3.2预应力缆索成套调控装置

如前文所述，为规避深厚黄土受雨水浸润后出现较大下沉变形而使刚性支撑作用弱化的问题，提出采用预应力缆索成套调控装置来调整和控制锥段结构吊装单元的位置。预应力缆索成套调控装置为“缆索＋手拉葫芦＋地锚”的组合装备。缆索地锚点位于间冷塔塔底埋件中心外延约15 m处（外延越远对缆索受力越优，本项目受场地限制仅可外延15 m）。

地锚可采用钢管桩、配重块等形式，本项目综合考虑现场施工设备及埋置管线等情况，采用浅埋于地表的混凝土墩作为地锚件。通过考虑结构自重和风荷载组合作用的受力分析，确定混凝土墩的自重和埋置深度需求，以及缆索与手拉葫芦等的规格。具体为：混凝土墩自重18 t，埋置深度1.0 m；缆索采用φ22 mm钢丝绳，按3.5倍安全系数，单根可承受拉力8 t；缆索接10 t手拉葫芦供调节和施加预应力；缆索与混凝土墩的连接、缆索与三角架的连接均采用耳板＋卸甲的形式（图4）。

图4 预应力缆索成套调控装置

综上，预应力缆索成套调控装置具备如下优点：

1）作业人员站立于地面即可完成对吊装单元的精调作业，操作简便，作业更安全。

2）缆索、手拉葫芦等配件自重轻，体积小，便于拆装翻转使用。

3）采用浅埋的重力式混凝土墩作为地锚，制作简单，对下埋管线几乎无干扰，且抗拔力稳定可靠。

预应力缆索长度长，截面小，则轴向抗拉刚度不大，因此混凝土墩地锚稍有下沉变形对缆索轴拉力影响不大（按理论计算，下沉50 mm，缆索轴力增加值在13 kN左右），由此不会致使整套装置存在不可估量的风险，而且稍稍增大的缆索受力更利于对抗吊装单元的自重荷载。

4 间冷塔锥段结构施工过程模拟分析

4.1缆索内力设计值确定

以最为不利的P5层锥段结构为例进行分析。

1）荷载。第5层结构自重与第2节一致，等效为杆件线荷载予以考虑；风荷载同第2节一致取值，并等效为杆件线荷载予以考虑；缆索：设置预拉力以保证结构在自重作用下变形几乎为0。

2）分析结果。建立相应的模型进行分析，由分析结果可知，增设预应力缆索后，在自重与风载作用下，钢塔结构最大应力为122.0 MPa，远小于钢材设计强度，结构可保证安全与稳定；P5层缆索承受的最大拉力设计值为78.9 kN（中间节点151.7 kN拉力由2根缆索共同承担）。

4.2混凝土墩受力校核

1）混凝土墩抗拉起校核。P5层缆索的受力最大，为78.9 kN（按80 kN考虑），与地面夹角为54.7°，则产生的最大竖向分力为65.3 kN，产生的最大水平分力为46.2 kN。一个混凝土墩设置2根缆索锚固点，则其承受的总竖向力为65.3 kN×2＝130.6 kN＜180 kN，说明混凝土墩质量满足抗拉起要求。

2）混凝土墩抗滑移校核。混凝土墩传递水平力（46.2 kN×2＝92.4 kN）于前侧土体，相当于混凝土墩承受被动土压力，应用朗肯土压力理论进行土体强度计算，且不考虑墩壁与土体间内摩擦角的有利作用。根据厂区地质资料报告，素填土容重15 kN/m3，最小黏聚力为23 kN/m2，最小内摩擦角为16.9°，被动压力系数为tan2（45°＋16.9°/2）＝1.82，埋深1 m，则被动土压力值为75.7 kN/m，混凝土墩宽2.44 m，则土体可承受的最大水平力为184.7 kN＞92.4 kN，说明混凝土墩抗滑移满足要求。

3）混凝土墩内置预埋件强度校核。单个混凝土墩内置预埋件除承受竖向和水平分力外，还将因耳板的高度而产生相应的弯矩3.70 kN·m，则预埋件所需的锚筋总截面面积应不小于595 mm2。选用8φ18 mm的HRB400级钢筋，总锚筋截面面积为2 035 mm2，满足要求。

4.3缆索拆翻全过程施工分析

对最不利的P5层施工进行过程分析，荷载取值同4.1节一致。选取几个典型的缆索拆除阶段进行分析。经分析，间冷塔钢结构在自重和风载标准组合作用下，缆索拆除最不利工序为拆除第1根缆索阶段，其最大应力值为78.6 MPa，远小于钢材设计强度，因此主结构可保证安全与稳定。按此工序拆翻缆索，最终成环状态的最大变形仅13 mm，再考虑适当的预变形，可显著提高锥段结构的成环质量。

5 结语

陕能麟游钢结构间冷塔锥段施工技术，不仅使锥段结构精调更易操作和安全，也有效控制了未成环阶段结构在自重作用下的下挠变形，保证了未成环阶段结构的稳定性和精度以及最终的成环质量。本文所述施工方法较好地解决了锥段结构的安装难题，可供其他类似工程借鉴。