變截面多平臺煙囪一次滑模施工技術(shù)及施工仿真分析

0 引言
現(xiàn)代工業(yè)廠房煙囪高度的增加及結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣化均給施工帶來一定難度。對于多層平臺煙囪的滑模施工, 通常采用“一滑升一平臺”的施工方法, 但這種傳統(tǒng)方法會浪費(fèi)大量資源并造成工期緊張[1]。通過技術(shù)創(chuàng)新, 針對實際高風(fēng)壓下方形變截面煙囪采用一次滑模至頂?shù)膭?chuàng)新施工方法, 實現(xiàn)快速安全、質(zhì)量可靠施工。為保證結(jié)構(gòu)在施工過程中受力合理, 利用ABAQUS軟件建立煙囪筒體有限元分析模型, 研究煙囪在高風(fēng)壓荷載作用下的受力特點, 為工程的安全施工提供保障。

1 工程概況
南寧市平里靜脈產(chǎn)業(yè)園-生活垃圾焚燒發(fā)電項目坐落于南寧市高峰林場, 日處理生活垃圾量2 000t。工程中煙囪高度為102.0m, 采用矩形鋼筋混凝土外筒, 首層平面尺寸為10m×10m, 煙囪內(nèi)部設(shè)置有13層鋼筋混凝土平臺, 煙囪結(jié)構(gòu)壁厚與混凝土強(qiáng)度等級如表1所示。煙囪平臺結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 煙囪平臺結(jié)構(gòu)布置
圖1 煙囪平臺結(jié)構(gòu)布置   下載原圖

Fig.1 Structural layout of chimney platform

表1 煙囪結(jié)構(gòu)壁厚與混凝土強(qiáng)度等級
Table 1 Wall thickness and concrete strength of chimney structure     下載原表

表1 煙囪結(jié)構(gòu)壁厚與混凝土強(qiáng)度等級
2 施工方案
2.1 初步思路
采用平面鋼管支撐代替原設(shè)計鋼筋混凝土平臺增加結(jié)構(gòu)整體剛度, 待主體筒體滑模到一定位置后拆除該層鋼管支撐, 然后施工該層鋼筋混凝土平臺, 此時筒體可繼續(xù)向上滑模。對于原有平臺梁與筒體節(jié)點的施工, 通過梁主筋與預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接;對于平臺板施工, 扳直原預(yù)留的彎折鋼筋后采用互相焊接的方式處理。節(jié)點部分均采用C40微膨脹自密實混凝土進(jìn)行澆筑。

2.2 實施方案
具體操作方案為: (1) 在離墻角1/3筒體位置處的內(nèi)壁預(yù)埋鋼板, 鋼板表面與筒體內(nèi)壁表面相平, 尺寸為300mm×300mm×8mm, 共8塊。當(dāng)滑模施工完成本層平臺周邊筒體后, 焊接安裝八角平臺鋼管支撐, 鋼管尺寸為200×3.5, 如圖2所示。根據(jù)有限元對比分析, 在該筒體內(nèi)設(shè)置2層鋼管支撐, 具體位置為8.50m和51.70m。 (2) 對于平臺梁的處理, 在鋼筋混凝土平臺梁與筒體節(jié)點插筋位置預(yù)埋10mm厚鋼板, 鋼板尺寸與梁截面尺寸相同, 預(yù)埋鋼板如圖3所示。當(dāng)滑模施工至一定位置后拆除平面鋼管支撐, 施工該層平臺梁。 (3) 在煙囪筒體四周預(yù)埋平臺板鋼筋, 埋入筒壁長度LaE, 預(yù)留200, 400mm前后、左右錯開布置, 如圖4所示。對于預(yù)留板鋼筋, 滑模前向上彎起, 筒壁完成后立即扳直, 必要時進(jìn)行植筋加強(qiáng)。

圖2 臨時平臺鋼管加強(qiáng)
圖2 臨時平臺鋼管加強(qiáng)   下載原圖

Fig.2 Reinforcement of steel pipe for temporary platform

3 施工過程控制要點
3.1 工藝流程
施工工藝流程如圖5所示。

3.2 初滑階段
圖3 筒體預(yù)埋鋼板構(gòu)造
圖3 筒體預(yù)埋鋼板構(gòu)造   下載原圖

Fig.3 Structure of tube embedded steel plate

圖4 預(yù)埋平臺梁、板鋼筋
圖4 預(yù)埋平臺梁、板鋼筋   下載原圖

Fig.4 Steel bars of pre-embedded platform beams and slabs

1) 模板安裝 根據(jù)煙囪筒壁截面尺寸及壁厚特性, 通過煙囪中心放十字線, 再沿內(nèi)外壁畫線確定內(nèi)外模板尺寸。筒壁立面模板安裝如圖6所示。

2) 安裝提升架和井架 提升架采用的支撐桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長4.5m, 相鄰2根錯接高差為1.0m。采用統(tǒng)一型號液壓千斤頂均勻?qū)ΨQ布置, 相對高差≤20mm。用[14連接中心方形懸索式空間桁架與[16井架組成內(nèi)操作平臺的骨架, 上面鋪設(shè)平臺木板。操作平臺安裝如圖7所示。

3) 初滑 操作平臺所有設(shè)備組裝好后, 即進(jìn)入初滑施工階段[2]。此時, 預(yù)埋件的加工、焊接應(yīng)提前加工制作完成, 預(yù)埋件允許偏差滿足相應(yīng)規(guī)范要求。初滑完成后調(diào)平操作平臺及對中系統(tǒng), 即進(jìn)入正式滑升施工。

3.3 滑模施工
3.3.1 滑模施工控制
滑模施工按JGJ65—2013《液壓滑動模板施工安全技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行, 模板滑升嚴(yán)格控制操作平臺水平度及支撐系統(tǒng)的垂直度, 每個千斤頂行程后及時監(jiān)測操作平臺各點標(biāo)高。滑模過程中若支撐桿彎曲失穩(wěn), 采用25鋼筋插入筒壁已凝固的混凝土中進(jìn)行支撐桿卸荷加固, 上端與支撐桿焊接, 并與相鄰兩支撐桿焊牢。支撐桿變形處理如圖8所示。

圖5 施工工藝流程
圖5 施工工藝流程   下載原圖

Fig.5 Construction process

圖6 筒壁模板立面
圖6 筒壁模板立面   下載原圖

Fig.6 Elevation of tube wall formwork

圖7 操作平臺安裝
圖7 操作平臺安裝   下載原圖

Fig.7 Installation of operation platform

3.3.2 測量與糾偏
1) 為保證滑升模板時煙囪筒體的垂直度, 通過在筒體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處設(shè)置固定測點的激光垂準(zhǔn)儀測量及筒體中心吊大線錘方法進(jìn)行雙重校驗測量, 每滑升500～600mm進(jìn)行1次檢測, 根據(jù)數(shù)據(jù)分析偏差及發(fā)展傾向[3]。

圖8 支撐桿變形處理
圖8 支撐桿變形處理   下載原圖

Fig.8 Deformation treatment of support rod

2) 糾偏、糾扭速度需緩慢進(jìn)行, 逐步找平, 應(yīng)時常檢查、及時糾偏, 不能做一次調(diào)整。根據(jù)筒體中心所測偏移量, 分別采用變換混凝土澆筑方向的方法、偏載法、平臺傾斜法和模板坡度法進(jìn)行糾偏[4], 采用滑刀導(dǎo)向法和千斤頂傾斜法糾扭[5]。

3.3.3 筒體豎向鋼筋保護(hù)層厚度控制
在鋼筋與模板之間的模板上口處垂直掛設(shè)入模深度為150mm、直徑等于鋼筋保護(hù)層厚度的鋼管, 鋼管固定在每個提升架處, 以保證鋼筋保護(hù)層厚度, 停滑階段, 清除鋼管上的混凝土, 待滑模完畢再拔除鋼管即可。

3.3.4 變截面控制
本煙囪為變截面結(jié)構(gòu), 每滑移到接近變截面處, 應(yīng)測量高度, 并用紅筆標(biāo)在支撐桿上, 以保證變截面標(biāo)高準(zhǔn)確。混凝土澆筑至變截面處, 將模板滑升至模板底, 達(dá)到變截面標(biāo)高, 收縮模板, 再澆筑混凝土。

3.4 預(yù)埋板鋼筋處理
滑模時對預(yù)埋板鋼筋預(yù)先向上彎折90°, 嵌入新澆混凝土, 筒壁完成且模板提升至下一節(jié)筒壁位置后, 在滑模裝置的裝飾內(nèi)吊架位置立即將彎折鋼筋扳直。檢驗預(yù)埋鋼筋強(qiáng)度, 必要時進(jìn)行植筋加強(qiáng)。由彎折板筋引起的筒壁混凝土凹陷位置, 在彎折鋼筋扳直后, 立即采用高一強(qiáng)度等級的微膨脹細(xì)石混凝土修補(bǔ)平。

對于扳直的板鋼筋, 在后續(xù)板施工時采用同直徑、同型號的鋼筋搭接單面焊, 搭接長度≥10d, 以形成板的受力鋼筋。滑模時板筋位置如圖9所示。

3.5 焊接平臺支撐
利用ABAQUS有限元軟件建模, 分析在高風(fēng)壓作用下煙囪筒體結(jié)構(gòu)沿高程變化的位移曲線及應(yīng)力變化。經(jīng)模擬分析及結(jié)合現(xiàn)場實際情況, 擬定在整個混凝土筒體設(shè)置2層鋼管加固平臺, 第1, 2層鋼管支撐位置相對于地面標(biāo)高分別為8.500, 51.700m。在將200×3.5鋼管與預(yù)埋鋼板焊接前, 平臺支撐鋼管端部提前按照角度做好嵌角。在每根焊好后鋼管的端部、中間粘貼應(yīng)變片, 監(jiān)測其在施工過程中的應(yīng)力變化, 防止鋼管屈服。結(jié)合ABAQUS有限元模型進(jìn)行受力分析, 當(dāng)鋼管接近85%極限承載力, 即可進(jìn)行該層平臺結(jié)構(gòu)施工;若鋼管應(yīng)力小于其極限承載力的85%, 可在完成筒體后, 施工至相應(yīng)平臺時再拆除鋼管支撐, 可保證平臺施工完整性。

圖9 滑模時板筋位置
圖9 滑模時板筋位置   下載原圖

Fig.9 Location of slab bar in sliding formwork construction

本次施工均未發(fā)現(xiàn)鋼管應(yīng)力達(dá)到其極限承載力的85%, 故整個筒體滑模完成后再拆除鋼管, 最后進(jìn)行平臺施工。

3.6 平臺施工
1) 滿堂腳手架搭至第1層平臺位置, 搭設(shè)符合規(guī)范要求。待第1層平臺混凝土強(qiáng)度檢測合格后, 在原施工完成平臺上搭設(shè)滿堂腳手架, 繼續(xù)進(jìn)行下一層平臺結(jié)構(gòu)施工, 直至完成煙囪所有平臺施工。

2) 安裝梁鋼筋時, 將梁主筋焊接在預(yù)埋鋼板上, 采用單面焊, 焊縫長度為250mm, 搭接長度應(yīng)≥10d, 如圖4所示。

3) 對于鋼筋密集難以使用振動棒進(jìn)行振搗的原預(yù)埋區(qū)域, 應(yīng)選用具有自流平和自密實性能的微膨脹自密實混凝土進(jìn)行澆筑。

澆筑前對微膨脹自密實高性能混凝土進(jìn)行試配[6], 實際配合比如表2所示。試配后各參數(shù)良好, 均能達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求。

表2 參考配合比
Table 2 Reference mix proportion     下載原表

(kg·m-3)

表2 參考配合比
4 施工過程有限元模擬分析
4.1 煙囪有限元模型
采用有限元分析軟件ABAQUS考慮材料非線性及混凝土損傷塑性模型, 采用三維實體單元對煙囪筒體進(jìn)行施工過程中受力分析, 并與實測結(jié)果進(jìn)行對比, 驗證有限元分析的合理性。

4.1.1 基本假定
結(jié)合實際情況, 給出如下假設(shè): (1) 混凝土材料按初期各向同性、開裂后各向異性考慮; (2) 鋼筋按宏觀各向同性考慮; (3) 鋼筋、預(yù)埋鋼板與混凝土之間的滑移較小, 忽略鋼筋、鋼板與混凝土間的黏結(jié)滑移影響, 整個加載過程中鋼筋、預(yù)埋鋼板與混凝土均能較好地協(xié)同工作[7]。

4.1.2 單元類型
混凝土采用線性減縮積分的三維實體單元C3D8R, 鋼板與鋼管采用線性減縮積分的三維實體單元C3D4, 鋼筋采用空間桁架單元T3D2。

4.1.3 材料本構(gòu)模型
混凝土采用損傷塑性模型, 混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系參照GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 (2015年版) 附錄C采用的曲線, 其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可通過函數(shù)進(jìn)行計算。


式中:下標(biāo)c和t分別表示壓縮和拉伸;εcpl和εtpl分別為等效塑性拉伸應(yīng)變與壓縮應(yīng)變;θ為溫度;fi (i=1, 2, …) 為其他預(yù)定義場邊量。

損傷塑性模型假定損傷后彈性模量可表示為無損彈性模量與損傷因子d的關(guān)系式, 即E= (1-d) E0, E0為材料初始 (無損) 模量;損傷因子的取值范圍從0 (表示無損傷) 至1 (表示完全損傷) 。

鋼板與鋼管采用多折線型隨動強(qiáng)化模型 (MKIN) , 單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用多折線型;鋼筋屈服準(zhǔn)則采用雙線型隨動強(qiáng)化模型 (BKIN) , 單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為理想彈塑性模型, 鋼材均采用von mises屈服準(zhǔn)則、隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則以及關(guān)聯(lián)流動法則[8]。

4.1.4 邊界條件
設(shè)置邊界條件時, 通過ABAQUS中的Embeded方法將鋼筋單元嵌入混凝土單元, ABAQUS可以自動耦合自由度。煙囪地基作為剛性地基處理, 煙囪底部固定不動, 上部作為自由端, 屬于一般支撐。

4.2 計算結(jié)果分析
4.2.1 應(yīng)力云圖
考慮風(fēng)荷載及豎向施工荷載作用, 煙囪模型及應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖1 0 應(yīng)力云圖
圖1 0 應(yīng)力云圖   下載原圖

Fig.10 Stress nephogram

經(jīng)過模擬分析及結(jié)合現(xiàn)場實際情況, 在整個混凝土筒體設(shè)置2層鋼管加固平臺可滿足施工要求。混凝土最大應(yīng)力為7.80MPa, 滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

4.2.2 鋼管內(nèi)力分析
1, 2層鋼管隨著施工過程中煙囪高度的增加應(yīng)力變化情況如圖11所示。由圖11可知, 鋼管應(yīng)力主要受到煙囪四周鋼筋混凝土側(cè)壁的影響, 煙囪側(cè)壁產(chǎn)生相對位移越大, 鋼管應(yīng)力越大。隨著高度增加, 鋼管應(yīng)力逐漸增加, 在第2層鋼管支撐加設(shè)后, 第1層鋼管應(yīng)力有減小趨勢, 后緩慢趨于平穩(wěn)。平臺鋼管支撐最大橫截面正應(yīng)力為19.44MPa, 出現(xiàn)在2層鋼管支撐位置, 滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

圖1 1 施工過程中平臺鋼管應(yīng)力變化
圖1 1 施工過程中平臺鋼管應(yīng)力變化   下載原圖

Fig.11 Stress variation of platform steel pipe in construction

4.2.3 煙囪位移分析
煙囪在施工過程中位移曲線如圖12所示。由圖12可知, 煙囪結(jié)構(gòu)水平位移隨著高度的增加而增加, 開始時呈線性增加, 當(dāng)煙囪較高時呈非線性。結(jié)構(gòu)最大水平位移出現(xiàn)在煙囪頂部, 為21.51mm, 遠(yuǎn)小于JGJ—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的H/1 000, 表明焊接的八角平臺鋼管支撐使結(jié)構(gòu)水平位移得到有效控制。

5 結(jié)語
本次一次滑模至頂方法是一種創(chuàng)新的施工方法, 研究這種新型施工工藝對提升工程質(zhì)量和施工效率有著非常重要的實際意義。通過對實際施工中問題的處理, 得出以下結(jié)論。

圖1 2 施工過程中煙囪頂部位移曲線
圖1 2 施工過程中煙囪頂部位移曲線   下載原圖

Fig.12 Displacement curve of chimney top in construction

1) 通過采用平面鋼管支撐代替原設(shè)計鋼筋混凝土平臺增加結(jié)構(gòu)整體剛度, 梁、板位置預(yù)埋鋼筋的方式可保證鋼筋混凝土煙囪一次滑模施工完全能滿足規(guī)范要求, 安全可靠。

2) 平臺梁、板施工通過預(yù)埋鋼筋的方式進(jìn)行處理, 保證結(jié)構(gòu)整體性。

3) 有限元分析結(jié)果表明, 煙囪結(jié)構(gòu)隨著高度增加, 其鋼管支撐應(yīng)力和煙囪頂水平位移逐漸加大, 均滿足規(guī)范要求。通過設(shè)置2道八角平臺鋼管支撐, 能滿足施工過程需要。

4) 該工程充分利用了一次滑模技術(shù), 通過對各項工序的嚴(yán)格執(zhí)行落實, 取得顯著經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。