240 m烟囱设计和施工技术

1　烟囱设计
一期工程安装2台600 MW机组,其烟囱为总高度240 m的双套筒式结构,它由2个直径6.2 m、高245 m的圆柱形钢制排烟管和1个出口内径为15.7 m、高240 m的钢筋混凝土外筒组成。混凝土外筒底部外半径为24.1 m,壁厚550mm,顶部外半径为16.3 m,壁厚300 mm,筒身坡度150 m以下为0.1%~3.42%, 150 m以上为0。双内筒钢材采用进口钢材,其材质符合美国ASTMA36或日本JIS400规范要求,壁厚为10 mm及8 mm 2种。筒顶部6.2 m范围内用6 mm厚不锈钢作内壁,以抗大气腐蚀,钢内筒外壁刷耐热耐酸油漆4度,并设80 mm厚矿棉板保温层,以防止内壁结露腐蚀。
　　外筒与双钢内筒之间设置3个平台,标高分别为85, 165, 235 m。筒身顶240 m标高处设钢平台,然后浇筑250 mm厚混凝土封顶。筒身内沿筒壁设螺旋爬梯1座和垂直电梯1台,以供检修用。此外,外筒与钢内筒之间每隔40 m左石设置1道拉杆,以增加钢内筒稳定性。烟囱基础采用圆板式整体基础,下设1 000mm冲孔灌柱桩136条,烟囱基础直径45 m,厚度1.5~3.4 m,承台上设有2个直径为4.2 m的圆柱状钢筒基础(如图1所示)。
2　烟囱基础大体积混凝土的施工
2.1　施工方案的确定
烟囱基础直径45 m,高1.5~3.4 m,混凝土总方量4 058 m3,属典型的大体积混凝土,初步设想有3个施工方案:(1)一次施工,不留任何施工缝;(2)基础中间留横向施工缝1条,分为上下2块;(3)留互相垂直施工缝2条,将基础均分为4块,分2次对称浇筑(见图2),先浇①部分,然后至少停留7天后,再浇②部分。
方案比较:
(1)若采用斜面分层法一次性整体浇筑,取圆板基础平均厚度2.7 m,混凝土坡度1∶6,每层覆盖混凝土厚度40 cm,初凝时间3 h,则每h需要混凝土量为99 m3,而现场拌和站生产能力为60 m3/h,混凝土供应能力不足。
(2)若采用水平分缝,分上下2块的施工方案,存在以下难点:一是在浇筑上层混凝土时,上层钢筋易遭污染,难以清理;二是下层混凝土浇筑后,对上层混凝土产生较大的约束作用,经计算此约束应力约为5.2 MPa,大于混凝土的抗拉强度2.0 MPa,因而可能产生温度裂缝。
(3)采用分块跳仓施工,则可以克服以上缺点,经总承包商日本三菱公司及业主同意,我们采取了第(3)方案。
2.2　保证混凝土质量的措施
垂直施工缝处的处理:为了保证施工缝处混凝土的质量,采用了台阶形施工缝(见图2)。为防止大体积混凝土的温度裂缝,采取了以下措施:(1)为减少垫层对底板混凝土的约束,在垫层上设置2层油毡作为滑动层。(2)混凝土表面至少抹面3次,以防止混凝土早期沉缩裂缝。(3)混凝土抹面完毕后,即采用1层薄膜加2层草袋的办法蓄温养护。此外,基础外模采用砖砌外模,并在混凝土浇筑前予以回填,以保证混凝土内外温差不大于25℃,降温速率小于1.5℃/天。(4)在基础内埋没钢管,监测混凝土的温度。实测平均气温20℃,中心最高温度70℃,表面温度45℃,满足温控要求。采取以上措施取得了十分显著的效果,混凝土浇筑至今,未发现任何裂缝。
3　外筒无井架液压滑模施工
3.1　滑模平台设计
滑模平台由辐射梁、下弦拉杆、环梁、鼓圈等组成。烟囱底部外半径为12.05 m,组装平台半径取14.0 m。经平台设计计算,取40对18号槽钢作为辐射梁,辐射梁与鼓圈采用螺栓连接;设40根32mm钢筋作为下弦拉杆,下弦拉杆用花篮螺栓联接在鼓圈的下钢圈上;鼓圈内径4.0 m,高度3.0 m,由上下钢圈通过腹杆组合而成;井架高9 m,平面尺寸2.8 m×2.8 m,井架用4根19 mm钢丝绳与平台拉接。本结构千斤顶布置采用单双相间布置,共布置GYD-60 (额定承载力为3 t)千斤顶60台,相应配置40根48 mm×3.5 mm钢管作为支承爬杆,刚度(EI)是25 mm圆钢的6.36倍,承载力为圆钢的3.9倍,而其重量却比圆钢略小,因而更经济。烟囱的半径随高度的增加逐渐缩小,在150 m处,拆除部分千斤顶,由原来单双间隔布置改为全双
布置,千斤顶减少为40台。滑模装置在地面按施工设计图制作完成后,为确保在高空滑升中的安全,必须对滑模平台进行试压。试压荷载取1.2倍施工荷载,试压时将平台分为2个受荷区,分3次进行加荷。试压结果显示:鼓圈下沉量60. 55 mm,略大于设计要求L/400=60mm,辐射梁挠度39.5 mm,略小于设计要求L/250=40 mm,均符合使用要求。
3.2　滑模偏差控制
筒身中心的测量用线锤测定,锤重15 kg,用20号钢丝绕在摇线滚筒上,摇线架固定于井架上,钢丝线从滚筒上经过井架中心放下,每提升1次,对中检查1次。此外,每日早晚进行1次平台扭转观察,在扭转增大时则增加观察次数。本工程采用钢管作为支承爬杆,大大增加了滑升平台的稳定性。施工中测量显示:筒身中心最大偏差27 mm,平台最大扭转50 mm,满足了设计要求。
4　平台及爬梯安装
滑模到顶后,利用滑模平台在混凝土外筒顶端立起支承架,然后利用支承架将滑模平台降至地面并拆除,紧接着在烟囱内地面组装好安装平台、爬梯、电梯、照明系统、航标灯及避雷系统。工作吊篮是一种网式反撑活动钢平台,其中间留有吊装孔,吊篮的升降由地面20 t卷扬机牵引,可以在外筒内垂直升降,由于外筒直径上小下大,所以吊篮还应在15 m~22 m之间作径向变幅。平台及爬梯安装按照由上至下,先平台后爬梯顺序进行。首先安装顶层平台,将工作吊篮升至平台底,利用支承架,通过吊篮中间的吊装孔,将大梁吊装就位。然后安装环形边梁、次梁,铺设压型板,完成平台安装。此后吊篮适当下降,采用相同的方法安装以下的平台及爬梯。当吊篮降至180 m高度以下时,外筒直径开始逐步增大时,此时吊篮的直径根据外筒直径变化也相应增大。
5　钢内筒的安装
待上述工作完成后,即可开始钢内筒的安装,本工程采用了气顶倒装法进行安装。
5.1　施工工艺
气顶倒装法工艺的原理如同“气缸与活塞”的关系(见图3)。用常规的吊具组装好适当高度的钢内筒顶段(约10.8 m),在接近顶口处装上一个密封用的封头,这样构成一个敞口的“气缸体”,把它套在粗细圆柱构成的“内底座”外周。内底座的底部钢板固定在钢内筒基础上,这样在密封圈以上,封头以下,筒壁所包围的范围内构成了一个密闭腔。外部气源通过管道由底部向密闭腔通入压缩空气,当作用于封头空气压力超过已组对的上筒段(包括封头在内)的重量,并足以克服密封圈对简内壁的摩擦力时,钢内筒便开始上升。当气压顶升使上筒段的下口超过后续节的钢板宽度以后,便把已卷制好的弧形钢板(3块围成一个整圆)在“内底座”的周围合拢、组焊成后续筒节,再以适当的排气使上筒徐徐下降,并与后续筒节对接相焊,上筒节便接长了一节。再气顶上升,合围组焊后一新筒节,上筒段与新筒节对焊,如此一节复一节,使筒段累计接长到设计高度。
5.2　主要技术要求
5.2.1　气顶时压缩空气的压强与筒身增高的重量成正比,所以压强是逐步增加的,到顶时的气体压强为0.163MPa。经计算,此时最薄筒段的材料许用应力超过实际应力1倍以上,因而不会发生泄漏或爆炸可能,筒体是安全的。
5.2.2　内底座安装时垂直度控制在1/2 000以内,钢内筒中心偏差应控制在≤H/2 000且≤30 mm。
5.2.3　美国ASTMA36钢材与国产钢材Q235接近,故采用J422焊条。为确保焊缝质量,采用坡口焊接,每条焊缝分3层完成,6个焊工对称布置同步焊接,每焊完一层后,经检查确认无缺陷后,再焊下一层。
6　结束语
6.1　烟囱基础大体积混凝土的施工经验表明:只要周密部署、措施得力,垂直分缝并无问题,同时也能有效地防止大体积混凝土温度裂缝的出现。
6.2　滑模中采用48 mm×3.5 mm钢管作为支承爬杆,增加了平台稳定性,加快了滑升速度,减少了平台扭转和漂移。同时从经济上而言,比25 mm钢筋略有节余。
6.3　内筒顶升采用了气顶倒装法,即用常规的吊具组装好适当高度的钢内筒项段,加密封头、内底座等构件,以压缩空气为动力,把组装过程中的钢内筒自身化为顶升工具,在逐步接高中逐步上升。该法具有安全可靠、速度快且经济的特点。　　　

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