变截面多平台烟囱一次滑模施工技术及施工仿真分析

0 引言
现代工业厂房烟囱高度的增加及结构形式复杂多样化均给施工带来一定难度。对于多层平台烟囱的滑模施工, 通常采用“一滑升一平台”的施工方法, 但这种传统方法会浪费大量资源并造成工期紧张[1]。通过技术创新, 针对实际高风压下方形变截面烟囱采用一次滑模至顶的创新施工方法, 实现快速安全、质量可靠施工。为保证结构在施工过程中受力合理, 利用ABAQUS软件建立烟囱筒体有限元分析模型, 研究烟囱在高风压荷载作用下的受力特点, 为工程的安全施工提供保障。

1 工程概况
南宁市平里静脉产业园-生活垃圾焚烧发电项目坐落于南宁市高峰林场, 日处理生活垃圾量2 000t。工程中烟囱高度为102.0m, 采用矩形钢筋混凝土外筒, 首层平面尺寸为10m×10m, 烟囱内部设置有13层钢筋混凝土平台, 烟囱结构壁厚与混凝土强度等级如表1所示。烟囱平台结构布置如图1所示。

图1 烟囱平台结构布置
图1 烟囱平台结构布置   下载原图

Fig.1 Structural layout of chimney platform

表1 烟囱结构壁厚与混凝土强度等级
Table 1 Wall thickness and concrete strength of chimney structure     下载原表

表1 烟囱结构壁厚与混凝土强度等级
2 施工方案
2.1 初步思路
采用平面钢管支撑代替原设计钢筋混凝土平台增加结构整体刚度, 待主体筒体滑模到一定位置后拆除该层钢管支撑, 然后施工该层钢筋混凝土平台, 此时筒体可继续向上滑模。对于原有平台梁与筒体节点的施工, 通过梁主筋与预埋钢板进行焊接;对于平台板施工, 扳直原预留的弯折钢筋后采用互相焊接的方式处理。节点部分均采用C40微膨胀自密实混凝土进行浇筑。

2.2 实施方案
具体操作方案为: (1) 在离墙角1/3筒体位置处的内壁预埋钢板, 钢板表面与筒体内壁表面相平, 尺寸为300mm×300mm×8mm, 共8块。当滑模施工完成本层平台周边筒体后, 焊接安装八角平台钢管支撑, 钢管尺寸为200×3.5, 如图2所示。根据有限元对比分析, 在该筒体内设置2层钢管支撑, 具体位置为8.50m和51.70m。 (2) 对于平台梁的处理, 在钢筋混凝土平台梁与筒体节点插筋位置预埋10mm厚钢板, 钢板尺寸与梁截面尺寸相同, 预埋钢板如图3所示。当滑模施工至一定位置后拆除平面钢管支撑, 施工该层平台梁。 (3) 在烟囱筒体四周预埋平台板钢筋, 埋入筒壁长度LaE, 预留200, 400mm前后、左右错开布置, 如图4所示。对于预留板钢筋, 滑模前向上弯起, 筒壁完成后立即扳直, 必要时进行植筋加强。

图2 临时平台钢管加强
图2 临时平台钢管加强   下载原图

Fig.2 Reinforcement of steel pipe for temporary platform

3 施工过程控制要点
3.1 工艺流程
施工工艺流程如图5所示。

3.2 初滑阶段
图3 筒体预埋钢板构造
图3 筒体预埋钢板构造   下载原图

Fig.3 Structure of tube embedded steel plate

图4 预埋平台梁、板钢筋
图4 预埋平台梁、板钢筋   下载原图

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

1) 模板安装 根据烟囱筒壁截面尺寸及壁厚特性, 通过烟囱中心放十字线, 再沿内外壁画线确定内外模板尺寸。筒壁立面模板安装如图6所示。

2) 安装提升架和井架 提升架采用的支撑杆标准节长4.5m, 相邻2根错接高差为1.0m。采用统一型号液压千斤顶均匀对称布置, 相对高差≤20mm。用[14连接中心方形悬索式空间桁架与[16井架组成内操作平台的骨架, 上面铺设平台木板。操作平台安装如图7所示。

3) 初滑 操作平台所有设备组装好后, 即进入初滑施工阶段[2]。此时, 预埋件的加工、焊接应提前加工制作完成, 预埋件允许偏差满足相应规范要求。初滑完成后调平操作平台及对中系统, 即进入正式滑升施工。

3.3 滑模施工
3.3.1 滑模施工控制
滑模施工按JGJ65—2013《液压滑动模板施工安全技术规程》执行, 模板滑升严格控制操作平台水平度及支撑系统的垂直度, 每个千斤顶行程后及时监测操作平台各点标高。滑模过程中若支撑杆弯曲失稳, 采用25钢筋插入筒壁已凝固的混凝土中进行支撑杆卸荷加固, 上端与支撑杆焊接, 并与相邻两支撑杆焊牢。支撑杆变形处理如图8所示。

图5 施工工艺流程
图5 施工工艺流程   下载原图

Fig.5 Construction process

图6 筒壁模板立面
图6 筒壁模板立面   下载原图

Fig.6 Elevation of tube wall formwork

图7 操作平台安装
图7 操作平台安装   下载原图

Fig.7 Installation of operation platform

3.3.2 测量与纠偏
1) 为保证滑升模板时烟囱筒体的垂直度, 通过在筒体内侧转角处设置固定测点的激光垂准仪测量及筒体中心吊大线锤方法进行双重校验测量, 每滑升500～600mm进行1次检测, 根据数据分析偏差及发展倾向[3]。

图8 支撑杆变形处理
图8 支撑杆变形处理   下载原图

Fig.8 Deformation treatment of support rod

2) 纠偏、纠扭速度需缓慢进行, 逐步找平, 应时常检查、及时纠偏, 不能做一次调整。根据筒体中心所测偏移量, 分别采用变换混凝土浇筑方向的方法、偏载法、平台倾斜法和模板坡度法进行纠偏[4], 采用滑刀导向法和千斤顶倾斜法纠扭[5]。

3.3.3 筒体竖向钢筋保护层厚度控制
在钢筋与模板之间的模板上口处垂直挂设入模深度为150mm、直径等于钢筋保护层厚度的钢管, 钢管固定在每个提升架处, 以保证钢筋保护层厚度, 停滑阶段, 清除钢管上的混凝土, 待滑模完毕再拔除钢管即可。

3.3.4 变截面控制
本烟囱为变截面结构, 每滑移到接近变截面处, 应测量高度, 并用红笔标在支撑杆上, 以保证变截面标高准确。混凝土浇筑至变截面处, 将模板滑升至模板底, 达到变截面标高, 收缩模板, 再浇筑混凝土。

3.4 预埋板钢筋处理
滑模时对预埋板钢筋预先向上弯折90°, 嵌入新浇混凝土, 筒壁完成且模板提升至下一节筒壁位置后, 在滑模装置的装饰内吊架位置立即将弯折钢筋扳直。检验预埋钢筋强度, 必要时进行植筋加强。由弯折板筋引起的筒壁混凝土凹陷位置, 在弯折钢筋扳直后, 立即采用高一强度等级的微膨胀细石混凝土修补平。

对于扳直的板钢筋, 在后续板施工时采用同直径、同型号的钢筋搭接单面焊, 搭接长度≥10d, 以形成板的受力钢筋。滑模时板筋位置如图9所示。

3.5 焊接平台支撑
利用ABAQUS有限元软件建模, 分析在高风压作用下烟囱筒体结构沿高程变化的位移曲线及应力变化。经模拟分析及结合现场实际情况, 拟定在整个混凝土筒体设置2层钢管加固平台, 第1, 2层钢管支撑位置相对于地面标高分别为8.500, 51.700m。在将200×3.5钢管与预埋钢板焊接前, 平台支撑钢管端部提前按照角度做好嵌角。在每根焊好后钢管的端部、中间粘贴应变片, 监测其在施工过程中的应力变化, 防止钢管屈服。结合ABAQUS有限元模型进行受力分析, 当钢管接近85%极限承载力, 即可进行该层平台结构施工;若钢管应力小于其极限承载力的85%, 可在完成筒体后, 施工至相应平台时再拆除钢管支撑, 可保证平台施工完整性。

图9 滑模时板筋位置
图9 滑模时板筋位置   下载原图

Fig.9 Location of slab bar in sliding formwork construction

本次施工均未发现钢管应力达到其极限承载力的85%, 故整个筒体滑模完成后再拆除钢管, 最后进行平台施工。

3.6 平台施工
1) 满堂脚手架搭至第1层平台位置, 搭设符合规范要求。待第1层平台混凝土强度检测合格后, 在原施工完成平台上搭设满堂脚手架, 继续进行下一层平台结构施工, 直至完成烟囱所有平台施工。

2) 安装梁钢筋时, 将梁主筋焊接在预埋钢板上, 采用单面焊, 焊缝长度为250mm, 搭接长度应≥10d, 如图4所示。

3) 对于钢筋密集难以使用振动棒进行振捣的原预埋区域, 应选用具有自流平和自密实性能的微膨胀自密实混凝土进行浇筑。

浇筑前对微膨胀自密实高性能混凝土进行试配[6], 实际配合比如表2所示。试配后各参数良好, 均能达到设计和规范要求。

表2 参考配合比
Table 2 Reference mix proportion     下载原表

(kg·m-3)

表2 参考配合比
4 施工过程有限元模拟分析
4.1 烟囱有限元模型
采用有限元分析软件ABAQUS考虑材料非线性及混凝土损伤塑性模型, 采用三维实体单元对烟囱筒体进行施工过程中受力分析, 并与实测结果进行对比, 验证有限元分析的合理性。

4.1.1 基本假定
结合实际情况, 给出如下假设: (1) 混凝土材料按初期各向同性、开裂后各向异性考虑; (2) 钢筋按宏观各向同性考虑; (3) 钢筋、预埋钢板与混凝土之间的滑移较小, 忽略钢筋、钢板与混凝土间的黏结滑移影响, 整个加载过程中钢筋、预埋钢板与混凝土均能较好地协同工作[7]。

4.1.2 单元类型
混凝土采用线性减缩积分的三维实体单元C3D8R, 钢板与钢管采用线性减缩积分的三维实体单元C3D4, 钢筋采用空间桁架单元T3D2。

4.1.3 材料本构模型
混凝土采用损伤塑性模型, 混凝土材料的本构关系参照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 附录C采用的曲线, 其应力-应变关系可通过函数进行计算。


式中:下标c和t分别表示压缩和拉伸;εcpl和εtpl分别为等效塑性拉伸应变与压缩应变;θ为温度;fi (i=1, 2, …) 为其他预定义场边量。

损伤塑性模型假定损伤后弹性模量可表示为无损弹性模量与损伤因子d的关系式, 即E= (1-d) E0, E0为材料初始 (无损) 模量;损伤因子的取值范围从0 (表示无损伤) 至1 (表示完全损伤) 。

钢板与钢管采用多折线型随动强化模型 (MKIN) , 单轴应力-应变关系采用多折线型;钢筋屈服准则采用双线型随动强化模型 (BKIN) , 单轴应力-应变关系为理想弹塑性模型, 钢材均采用von mises屈服准则、随动强化准则以及关联流动法则[8]。

4.1.4 边界条件
设置边界条件时, 通过ABAQUS中的Embeded方法将钢筋单元嵌入混凝土单元, ABAQUS可以自动耦合自由度。烟囱地基作为刚性地基处理, 烟囱底部固定不动, 上部作为自由端, 属于一般支撑。

4.2 计算结果分析
4.2.1 应力云图
考虑风荷载及竖向施工荷载作用, 烟囱模型及应力云图如图10所示。

图1 0 应力云图
图1 0 应力云图   下载原图

Fig.10 Stress nephogram

经过模拟分析及结合现场实际情况, 在整个混凝土筒体设置2层钢管加固平台可满足施工要求。混凝土最大应力为7.80MPa, 满足设计和规范要求。

4.2.2 钢管内力分析
1, 2层钢管随着施工过程中烟囱高度的增加应力变化情况如图11所示。由图11可知, 钢管应力主要受到烟囱四周钢筋混凝土侧壁的影响, 烟囱侧壁产生相对位移越大, 钢管应力越大。随着高度增加, 钢管应力逐渐增加, 在第2层钢管支撑加设后, 第1层钢管应力有减小趋势, 后缓慢趋于平稳。平台钢管支撑最大横截面正应力为19.44MPa, 出现在2层钢管支撑位置, 满足设计和规范要求。

图1 1 施工过程中平台钢管应力变化
图1 1 施工过程中平台钢管应力变化   下载原图

Fig.11 Stress variation of platform steel pipe in construction

4.2.3 烟囱位移分析
烟囱在施工过程中位移曲线如图12所示。由图12可知, 烟囱结构水平位移随着高度的增加而增加, 开始时呈线性增加, 当烟囱较高时呈非线性。结构最大水平位移出现在烟囱顶部, 为21.51mm, 远小于JGJ—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的H/1 000, 表明焊接的八角平台钢管支撑使结构水平位移得到有效控制。

5 结语
本次一次滑模至顶方法是一种创新的施工方法, 研究这种新型施工工艺对提升工程质量和施工效率有着非常重要的实际意义。通过对实际施工中问题的处理, 得出以下结论。

图1 2 施工过程中烟囱顶部位移曲线
图1 2 施工过程中烟囱顶部位移曲线   下载原图

Fig.12 Displacement curve of chimney top in construction

1) 通过采用平面钢管支撑代替原设计钢筋混凝土平台增加结构整体刚度, 梁、板位置预埋钢筋的方式可保证钢筋混凝土烟囱一次滑模施工完全能满足规范要求, 安全可靠。

2) 平台梁、板施工通过预埋钢筋的方式进行处理, 保证结构整体性。

3) 有限元分析结果表明, 烟囱结构随着高度增加, 其钢管支撑应力和烟囱顶水平位移逐渐加大, 均满足规范要求。通过设置2道八角平台钢管支撑, 能满足施工过程需要。

4) 该工程充分利用了一次滑模技术, 通过对各项工序的严格执行落实, 取得显著经济效益、社会效益。