压型金属板在钢结构冷却塔围护结构中的应用.pdf

钢结构2017 年第 12 期第 32 卷总第 228 期 压型金属板在钢结构冷却塔围护结构中的应用 肖庆1孙晓勇1杜晶1李志刚2朱跃华2 1． 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉430072; 2． 山西赵庄鑫光发电有限公司，山西长治046605 摘要 压型金属板广泛应用于工业和民用建筑围护结构系统中， 但在电厂钢结构冷却塔中应用经验与相关研究 较少。分析并提出了钢结构冷却塔围护结构的性能要求。结合国内某钢结构冷却塔项目实际条件， 从面板材料、 面板形式、 抗风性能、 气密性能等方面评价了压型金属板在钢结构冷却塔围护结构中的适用性。经过方案比较与 计算， 将高强镀铝锌板和铝合金板作为可选材料， 应采用打钉连接式面板， 连接处宜采取有效气密措施， 围护结构 方案设计完成后应进行气密性试验以及疲劳试验。 关键词 压型金属板;钢结构冷却塔;围护结构 DOI 10. 13206/j． gjg201712014 APPLICATION OF PＲOFILED METAL PLATE IN STEEL COOLING TOWEＲ ENCLOSUＲE STＲUCTUＲE XIAO Qing1SUN Xiaoyong1DU Jing1LI Zhigang2Zhu Yuehua2 1． Central Southern China Electric Power Design Institute Co． Ltd of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430072，China; 2． Shanxi Zhaozhuang Xinguang Power generation Co． Ltd，Changzhi 046605，China ABSTＲACT Profiled metal plate has been widely used in the enclosure structure of industrial and civil buildings，but there are few researches on its application． The perance requirements of steel cooling tower enclosure structure were put forward in the paper． Combined with actual conditions of a steel cooling tower project in China，the applicability of profiled metal plate in enclosure structure of steel cooling tower was uated from the aspects of plate material，plate type，wind resistance and airtightness perance．Through the comparison and calculation，high- strength galvanized plate and aluminum alloy plate were marked as optional material;the nailing connection plate should be used;the effective airtight measures should be taken at the connection joint． Besides，air tightness test and the fatigue test should be carried out after the enclosure structure design is completed． KEY WOＲDS profiled metal plate;steel cooling tower;enclosure structure 第一作者 肖庆， 男， 1990 年出生， 硕士， 工程师。 Email xiaodeep qq． com 收稿日期 2017 －09 －23 1概述 压型金属板具有强度高、 节省材料的优点， 在工 业和民用建筑的屋面、 墙面有较为广泛的应用。在 电厂钢结构冷却塔中， 压型金属板 － 檩条系统是主 要的围护结构方案之一。由于钢结构冷却塔整体数 量较少， 相关经验与研究较为空缺。目前在艾美尼 亚等寒冷地区及中东地震带上的一些电厂钢结构冷 却塔中有运用经验， 国内亦有新完成的钢结构冷却 塔项目采用了压型金属板围护。 一般工民建项目中人们主要关注压型金属板围 护结构的结构、 防水、 防火、 保温等方面的性能［1 ］。 从产品研发到设计施工已经形成了一套比较完整的 体系， 并制定了一系列相关规范标准。与之相比， 电 厂钢结构冷却塔围护结构运用条件不同， 关注重点 有所区别， 并需要满足工艺专业要求， 不能完全延用 已有的技术体系， 因此需要对压型金属板在钢结构 冷却塔围护中的适用性进行系统的分析。 2钢结构冷却塔围护结构性能要求 钢结构冷却塔一般由主结构和围护结构组成， 围护结构系统应根据钢骨架的实际条件进行方案设 计， 并需要满足一些性能要求， 主要包括 1 抗风性能。风荷载是钢结构冷却塔围护结 构主要外部荷载， 其风荷载大小分布符合钝体扰流 特征， 风荷载方向时为风压， 时为风吸; 围护结构应 能满足设计荷载条件下的强度、 变形等方面的要求。 围护结构的连接应当牢固可靠。 2 气密要求。冷却塔通过“烟囱效应” 形成空 气自下而上的运动循环， 若塔筒密闭性不好， 将会导 致外界空气入侵， 冷却塔上拔力降低， 影响换热效 率。由于常规混凝土冷却塔不存在漏气问题， 关于 钢结构冷却塔气密性能的研究资料较少， 在围护结 27 工程设计 Steel Construction. 2017 12 ，Vol. 32，No. 228 构设计中， 应根据工艺要求， 保证钢结构冷却塔塔身 的气密性能要求。 3 耐久保障。冷却塔内外均处于室外环境， 与 一般建筑有明显区别， 对围护系统的各个构件都有 较高的防腐要求， 运行环境温度常年介于 30 ℃ ～ 65 ℃之间， 且冷却塔建成后检查维护的周期较长， 构件更换难度较大， 因此在设计时应当充分考虑围 护结构耐久性能。 本文以某电厂项目“双曲线形” 钢结构冷却塔 围护结构设计为例， 从面板型材比选、 结构分析、 气 密措施等方面进行分析讨论， 评价压型金属板在钢 结构冷却塔围护结构中的适用性。 3压型金属板在钢塔围护结构适用性分析 3. 1项目概况 国内某电厂设一座钢结构冷却塔， 采用间接循 环水冷却。设计基本风压为 0. 50 kN/m2， 冷却塔主 体采用双层钢结构网壳骨架 称为主结构 ， 冷却塔 主结构布置如图 1 所示。冷却塔母线为双曲线， 钢 结构冷却塔基本设计参数如表 1 所示。 表 1钢结构冷却塔基本设计参数 m 塔顶高度进风口高度零米直径出口直径 220. 034. 0180. 0124. 0 a主结构立面; b外弦层。 图 1冷却塔主结构布置 进风口高程至塔顶高程间外覆的压型金属板蒙 皮， 通过主次檩条与主结构外弦层相连形成气密的 围护系统。根据设备使用年限要求， 本工程围护结 构应满足 30 年正常使用要求。 3. 2压型板型材选择 3. 2. 1压型板材料选择 压型金属板面板材料直接影响其力学性能和耐 久性。目前常用的压型金属板板材包括铝单板、 铝 合金板 ［2 ］、 钢板 包含镀锌钢板和镀铝锌钢板 。其 中， 铝单板强度较低， 在风荷载作用下， 在应力集中 区域或打钉区域易发生撕裂; 镀锌钢板的防腐能力 远弱于镀铝锌钢板， 难以满足正常使用年限要求。 因此， 在分析评价材料的适用性时仅针对铝合金板 和镀铝锌钢板。 1 铝合金板。由于铝的化学活泼性很高， 易与 空气中的氧发生氧化作用， 形成一层牢固、 致密的氧 化膜， 从而保护压型铝合金板不被进一步氧化， 因此 铝合金板在大气中耐蚀性很强， 平均腐蚀速度仅为 0. 001 5 ～0. 003 mm/a， 属于高耐蚀性等级。压型铝 合金板具有良好的韧性及成形加工特性， 除了受到 强烈撞击后产生永久变形外， 一般情况下都能经受 荷载允许范围内的撞击及较大的均布荷载而不产生 折裂， 并具备质轻、 高强、 耐久的优点。鉴于以上优 点， 国外已建成钢塔项目围护结构一般采用压型铝 合金板材。 2 镀铝锌钢板。压型钢板的优势是强度较高， 在风荷载作用下能提供更高的板材强度， 保证围护 结构安全。可以保证钢板不会从螺钉穿孔处破坏， 避免大风工况时钢板从固定螺钉处撕裂、 吹飞情况 的发生。对于以严格标准建设的核电站， 美国、 法 国、 日本 3 个核能运用最好的国家的很多核电项目 很早就采用高强镀铝锌压型钢板作为围护结构， 在 后期运行中基本不需维护工作。而我国在岭澳二期 核电站之前早期所建的核电站均采用镀锌压型钢 板， 如 大亚湾核电站、 岭澳一期核电站。其中大亚 湾核电站镀锌压型钢板局部已腐蚀， 并有漏水情况， 增加了工程后期维护成本［3 ］。 综上， 针对本项目钢结构冷却塔围护面板的材 料， 考虑采用高强压型镀铝锌钢板或压型铝合金板， 在进一步分析中， 铝合金板材料选用 3004 铝镁锰 板， 钢板材料选择 AZ200 镀铝锌高强钢板。 3. 2. 2压型板形式选择 在工业及民用建筑中， 常规金属面板类型主要 有螺钉固定式波纹板和直立锁边咬合式面板两种形 式 图 2 ， 根据工程经验与相关研究［4 ］， 直立锁边式 面板抗风吸能力较弱， 且其主要优势防水性能在本 项目并不适用， 结合计算比较分析， 直立锁边式面板 在本项目荷载条件下难以满足承载力、 挠度要求。 考虑采用打钉固定式压型板。 3. 3压型板力学分析 3. 3. 1计算基本条件 1 面板型号。考虑面板受力特点， 宜采用波形 对称的压型板 图 3 ， 采用常规 YX35 － 125 － 750 板型进行计算分析， 铝镁锰板板厚取 1. 20 mm， 高强 镀铝锌钢板板厚取 0. 65 mm。 37 肖庆， 等 压型金属板在钢结构冷却塔围护结构中的应用 钢结构2017 年第 12 期第 32 卷总第 228 期 a打钉固定式; b直立锁边咬合式。 1自攻螺钉; 2檩条; 3面板; 4T 形支座。 图 2打钉固定式压型板 图 3计算板型尺寸示意 2 “面板 － 檩条” 系统布置。为减少高空作业、 提高施工质量， 冷却塔围护结构采用一种单元式设 计方案， 每个单元板块设一块具有独立檩条、 面板的 吊装单元; 围护结构单元式方案如图 4 所示。 a面板; b檩条。 图 4围护结构单元式方案 3 风荷载取值。根据 GB 500092012建筑结 构荷载规范 ［5 ］对风荷载取值。 作用于围护面板的外部风荷载标准值为 we β gzCgμslμzw0 1 作用于围护面板的内吸力标准值为 wi － 0. 5 w H 2 式中 we为外部风压标准值;wi为内吸力标准值; βgz为高度 z 处的阵风系数; μsl为风荷载局部体型系 数， 根据 GB 500092012， 取为体型系数 μs的 1. 25 倍; μz为风压高度变化系数;w0为基本风压， 本工程取 0. 55 kN/m2; Cg为塔间干扰系数， 本工程 取 1. 2; w H为塔顶风荷载标准值。 外部风荷载与内吸力为独立荷载， 考虑其叠加 的最不利情况， 根据式 1 、 式 2 计算得出风荷载 在各个独立单元高度分布如表 2 所示。 表 2各单元风荷载分布 编号高度/m wi/ kN m －2 we/ kN m －2 风压/ kN m －2 迎风面背风面 1209. 000. 682. 484. 653. 67 2200. 000. 682. 454. 593. 61 3191. 000. 682. 454. 593. 61 4182. 300. 682. 414. 543. 55 5173. 800. 682. 384. 483. 49 6165. 300. 682. 344. 433. 43 7157. 400. 682. 314. 373. 37 8149. 600. 682. 294. 343. 34 9142. 000. 682. 264. 283. 28 10134. 400. 682. 224. 233. 21 11126. 400. 682. 214. 213. 19 12118. 000. 682. 164. 143. 11 13109. 300. 682. 114. 063. 03 14100. 100. 682. 063. 972. 93 1590. 400. 682. 003. 872. 82 1680. 300. 681. 943. 782. 72 1769. 700. 681. 903. 712. 64 1858. 600. 681. 813. 582. 50 1946. 900. 681. 723. 422. 33 2034. 800. 681. 593. 222. 11 3. 3. 2内力分布 上述模型可按均布荷载下 4 跨连续板计算内力 分布， 计算简图如图 5 所示。 图 5面板计算简图 取宽度为 1 m 的板带进行计算， 根据实用建 筑结构静力计算手册 ［6 ］， 第 1 跨内最大弯矩 M 1 0. 077ql2 q为均布荷载， l为跨度 ; 第2 跨内最大弯 矩 M2 0. 036ql2;根据以上内容可知， 最大弯矩 Mmax 0. 077ql2。 弯矩计算结果如表 3 所示。 3. 3. 3强度与变形计算 根据 GB 508962013压型金属板工程应用技 47 工程设计 Steel Construction. 2017 12 ，Vol. 32，No. 228 术规范 ［7 ］， 需要验算弯曲应力、 剪应力、 挠度、 支座 处弯矩与支座反力等指标， 经计算比较后认为， 挠度 为控制性指标。计算结果表明， 0. 6 mm 高强镀铝锌 钢板和 1. 2 mm 铝镁锰板满足各项强度及变形要 求。在此列出铝镁锰板挠度计算结果。 表 3面板最大弯矩计算结果 编号高度/m檩条间距/m最大弯矩/ kN m 1209． 01. 050. 56 2200． 01. 030. 53 3191． 01. 010. 51 4182. 30. 990. 49 5173. 80. 970. 46 6165. 30. 960. 45 7157. 40. 950. 43 8149. 60. 940. 42 9142． 00. 940. 41 10134. 40. 940. 41 11126. 40. 940. 41 12118． 00. 940. 40 13109. 30. 940. 39 14100. 10. 950. 39 1590. 40. 970. 40 1680. 30. 990. 40 1769. 71. 030. 43 1858. 61. 120. 49 1946. 91. 180. 52 2034. 81. 260. 56 1 挠度按下式计算 ωmax 3qkl4 384EIef 3 式中 qk为均布荷载标准值; E 为压型金属板弹性模 量; Ief为压型金属板有效截面绕弯曲轴惯性矩。 根据 GB 500182002冷弯薄壁型钢结构技术 规范 ［8 ］规定 ωmax≤ l 150 4 则挠度验算通过。 2 铝镁锰板挠度计算结果如表 4 所示。 根据表 4 结果， 本方案下压型铝镁锰板挠度满 足 GB 500182002 要求。 3. 4气密措施 面板所有外露收边搭接处、 自攻螺丝处， 相邻两 块压型板搭接处， 相邻面板单元间横、 纵缝处及塔顶 出风口与进风口等部位， 由于面板无法保持连续性， 均会产生渗气点。 通过在以上部位设密封件， 使整个围护系统形 成连续封闭整体， 保证围护系统气密性能， 如图 6、 图 7 所示。由于相关规范规定的气密等级评价体系 在本项目并不适用， 需结合气密性试验结果验证气 密措施的性能。 表 4铝镁锰板挠度计算结果 编号高度/mm挠度/mm限值/mm 1209．02. 444. 26 2200．02. 243. 90 3191．02. 073. 61 4182. 31. 893. 29 5173. 81. 723. 00 6165. 31. 632. 84 7157. 41. 542. 69 8149. 61. 472. 56 9142．01. 452. 53 10134. 41. 432. 49 11126. 41. 422. 48 12118．01. 402. 44 13109. 31. 372. 39 14100. 11. 402. 44 1590. 41. 482. 59 1680. 31. 572. 74 1769. 71. 813. 15 1858. 62. 434. 25 1946. 92. 875. 01 2034. 83. 516. 13 1结构钉; 2EPDM 防水垫圈; 3柔性隔离垫条单面自粘; 4墙面次檩条。 图 6面板打钉处气密性措施 图 7板侧边卷材安装示意 4结束语 电厂钢结构冷却塔围护结构的性能要求包括耐 久性能、 抗风性能、 气密性能、 安全性能等方面。结 合某 “双曲线形” 钢结构冷却塔项目条件， 通过比较 分析与计算， 认为压型高强镀铝锌钢板以及铝合金 下转第 96 页 57 肖庆， 等 压型金属板在钢结构冷却塔围护结构中的应用 钢结构2017 年第 12 期第 32 卷总第 228 期 要求。 3. 5应力应变监测结果 为使大跨度桁架屋盖安装过程中的应力和应变 满足要求， 考察结构内力和变形的规律， 对桁架内力 和变形进行全施工过程的监测。主要包括主体结构 变形、 施工受力部位应变、 温度、 风力等。得到的各 施工阶段屋顶桁架安装系统位移及应力数据如图 16 所示。 图 16位移及应力监测结果 对比图 15、 图 16 可知， 由于施工过程中控制得 当， 实际监测得到的位移和内力均比模拟数据小很 多， 完全满足设计要求， 较好地完成了高空大跨度超 重屋顶桁架的安装施工任务。 4结束语 目前， 随着我国经济水平的不断提高， 随着城市 建筑用地的日益紧张以及建造成本的逐日剧增， 超 高层建筑发展已经迎来了新的高度。同时， 大体量 复杂的钢结构工程也越来越多。本文所述格构柱支 撑系统技术适用于高空、 大体量钢结构安装。本项 目大跨度屋顶桁架的顺利安装成功， 标志着该格构 柱支撑系统为超高超重空中的吊装提供了除液压整 体提升外的另一种安全、 经济、 可靠的新技术， 该方 法不占用主体进度工期， 自主研发的支撑系统为后 续专业进场施工提供便捷， 保证了桁架安装精度和 整体变形量及内力， 整个施工过程安全可控， 具有良 好的社会效益和经济效益。 参考文献 ［ 1］苏铠， 王加林， 杨国勇． 南宁万达茂大跨度弧形倒三角管横加施工 方案比选及优化 ［ J］ ．中国建筑金属结构， 2016 11 62 －67． ［ 2］贾尚瑞， 邢遵胜， 豆德胜， 等． 万达茂化学乐园西区钢结构提升 施工关键技术［ J］ ． 施工技术， 2015 8 13 －16． ［ 3］王雨赢． 中石化大厦转换梁结构施工监测［D］． 哈尔滨 哈尔 滨大学， 2011． ［ 4］中华人民共和国住房和城乡建设部． 钢结构工程施工规范 GB 507552012［ S］ ． 北京 中国建筑工业出版社， 2012． ［ 5］姚刚， 周世武． 大跨度钢管桁架屋盖施工技术［J］． 重庆建筑， 2007 6 34 －36． ［ 6］何春涛， 何应勇， 张建． 90 m 跨钢管桁架屋盖卸载施工技术 ［ J］ ． 建筑施工， 2007 4  245 －247． 上接第 75 页 板具有优秀力学性能及耐久性， 通过设置接缝密封 条以及抗台风垫片， 能大幅提高围护结构气密性能 及可靠度， 适用于电厂钢结构围护系统。为弥补理 论分析的不足， 应进行气密性试验和疲劳试验对设 计方案进行验证。 近年来为了贯彻 “绿色电厂” 概念， 钢结构冷却 塔技术在国内得到较多关注。围护结构系统作为钢 结构冷却塔中的重要一环， 关系着结构安全、 经济、 适用等多方面的性能。研究压型金属板以及钢结构 冷却塔围护结构对于保障工程安全、 提高效益、 节约 投资等方面有重要意义。 参考文献 ［ 1］李海英． 钢结构建筑围护结构的材料与构造技术研究［D］． 北 京 清华大学， 2005． ［ 2］葛连福． 铝板和特种金属板围护结构手册［M］． 北京 中国建 筑工业出版社， 2012 18 －19． ［ 3］陈斌． 核电站钢结构围护中的新材料应用［J］ ． 中国建筑金属 结构， 2013 14 42 －42． ［ 4］张斯文． 钢结构公共建筑围护结构技术与性能试验研究 ［D］． 武汉 武汉理工大学， 2011． ［ 5］中华人民共和国住房和城乡建设部． 建筑结构荷载规范 GB 500092012［ S］． 北京 中国建筑工业出版社， 2012． ［ 6］国珍喜， 张树义． 实用建筑结构静力计算手册［M］ ． 北京 机械 工业出版社， 2009． ［ 7］中华人民共和国住房和城乡建设部． 压型金属板工程应用技 术规范 GB 508962013［S］． 北京 中国计划出版社， 2013． ［ 8］中华人民共和国建设部． 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB 500182002［ S］． 北京 中国计划出版社， 2002． 69 施工技术