摘要：燃煤电厂烟囱钢结构安装时，通常需要采用辅助吊装的钢结构设施来完成。如果该辅助设施设计不合理，可能会提高施工成本，严重的还会造成安全事故。因此需要采用科学的方法对烟囱钢结构吊装辅助设施进行论证。有限元分析是分析结构力学行为的重要手段之一，在工程实践中应用较为普遍，采用有限元工具对钢结构进行受力分析，更加科学、准确，能够最大程度节省措施钢结构材料成本，同时确保方案的安全性、可靠性。本文介绍了巴基斯坦某燃煤电厂烟囱钢平台吊装的实例，同时简要阐述了利用有限元分析软件对辅助吊装设施进行建模、分析的步骤，以及一些注意事项。

关键词：烟囱  钢结构吊装  有限元分析

1 引言

近年来，各个燃煤电厂项目在烟囱混凝土筒体内部钢平台的吊装过程中，所采用的施工方案大同小异，因此新建火电厂的烟囱钢平台吊装施工，几乎可以参照以往同类项目的施工方案做简单修改即可，在对辅助吊装的临时钢结构设计上，为了保守起见，确保安全可靠，往往按照以往经验选择同样的或者更大型的钢结构，这样往往会造成大量的材料浪费与力能浪费，特别是在境外物资采购不便的项目上，此缺点尤为突出;同时，没有经过科学准确的施工安全计算，施工方案本身也存在明显的不严谨问题。因此，本文介绍了采用有限元分析软件对现场设计的辅助吊装临时钢结构进行受力分析的步骤，以及现场实践，并在保证其可靠性的前提下，尽可能减少材料与力能浪费，同时提高施工方案的科学性、严谨性。

2 工程概况

巴基斯坦某2×660MW机组工程新建一座高度210m的烟囱，外筒为钢筋混凝土结构，顶标高+204m，从±0.00m～+204.00m混凝土筒壁外半径均为11m，壁厚460mm;内筒为双钢内筒布置，顶标高为210m，钢内筒为分段悬挂式钢内筒，筒体直径内径为7.6m，材质为钛钢复合板。烟囱内设计8层钢平台，标高分别为：+40.2m、+55.2m、+85.2m、+115.2m、+145.2m、+175.2m、+190.2m、+202.8m，其中+55.2m、+190.2m为筒体支撑平台，其他每层钢平台上设有止晃件以阻止烟囱钢内筒水平向晃动。顶部+202.8m平台放置施工千斤顶作为钢内筒施工提升受力平台;顶部平台为混凝土封闭式平台，平台采用钢梁结构、压型钢板底模，浇筑115mm厚钢筋混凝土楼板，并铺防水层。其余钢平台采用钢梁结构，上铺钢格栅，在钢内筒一侧或外围作为电梯层站平台。

下面着重介绍烟囱各层钢平台的钢梁吊装时所采取的辅助吊装钢结构，以及如何利用有限元分析对辅助钢结构进行受力分析、确定辅助结构选型的步骤。为方便阐述，只对直接承载钢梁吊装荷载的部分进行说明，对其他配套的施工辅助性措施不做介绍。

3 施工技术措施

3.1 吊装辅助措施

为吊装烟囱各层钢平台，则必须在烟囱混凝土筒身顶部设置一套吊装提升装置，用来起吊组成各层钢平台的钢梁。本文第3.2节提供了巴基斯坦某燃煤电厂烟囱钢平台吊装所采用的辅助设施示意图。通过综合考虑各层钢平台结构钢梁图纸设计位置、钢梁的自重以及方便作业人员施工等因素，结合以往类似项目施工经验，初步确定吊装辅助措施梁的选型、布置位置、支撑措施，以及滑轮的选型、布置位置等;另外还需通过计算，确定卷扬机的选型与布置方式、位置。需要说明的是，在混凝土筒壁顶部设置竖向支撑，是因为受吊装空间的限制，必须抬高纵向辅助措施梁高度时采取的必要手段，如果吊装空间足够，可以直接将纵向辅助措施梁架立在混凝土筒壁上，靠预埋件连接，更加可靠。

对于竖向支撑的设置需要慎重考虑以下几点：一是要考虑烟囱筒壁混凝土强度以及壁厚能否满足承载力要求，二是要考虑预埋件连接的可靠性。二者均需要通过受力计算进行判断。当判断竖向支撑可以视为固定支座时，对降低施工难度更加有利。当不采用竖向支撑的时候，仍需要对纵向辅助措施梁的两端是否可以视为固定支座进行判断。

吊装作业时，根据被起吊钢梁不同的设计位置，来确定选用哪两组吊钩来进行吊装最为合理，然后同步操作卷扬机，使两个吊钩同步提升。

3.2 有限元分析步骤

在3.1章节中所绘制的烟囱吊装辅助措施示意图，就是利用有限元分析方法最终确定的吊装辅助措施设计方案。下面结合该方案，对有限元分析的步骤进行简要说明。

3.2.1辅助设施的初步设计

借鉴同类型其他项目的经验，可以大大缩短吊装辅助措施的设计时间，进而可以更快的做出合理的施工方案。在初步设计过程中，参与设计的人员经验是否丰富、对工程结构以及力学分析知识掌握的程度都是影响初步设计是否更靠近最终设计的原因。因此，在初设时，应组织项目骨干技术力量进行讨论确定。

3.2.2结构模型及荷载参数

当初步设计确定后，我们需要通过有限元分析软件进行建模，如MIDAS /Gen V8.0软件，并输入各受力点的荷载值，此时应注意考虑起吊动力系数、安全系数等参数，严格按照规范取值。下图展示了Midas软件建模后的模型：

3.3 弯矩图、剪力图

3.3.1构件局部计算分析

1.连接计算分析

A.斜支撑与主措施梁及筒壁埋件焊缝

焊缝尺寸hf=13mm，腹板焊缝尺寸hf=8mm，翼缘板焊缝尺寸hf=13mm。

斜撑与主措施梁焊缝在最不利工况作用下，组合应力σ=31.75 MPa<160 MPa ，所以满足规范要求。

B. 竖向支撑与主措施梁焊缝

焊缝采用手工焊，在竖向支撑上开双45°坡口。腹板焊缝尺寸hf=8mm，翼缘板焊缝尺寸hf=12mm。

主措施梁与竖向支撑焊缝在最不利工况作用下，组合应力σ=15.76 MPa<160 MPa，满足规范要求。

2.支撑位置计算

根据上述反力与弯矩，各支撑位置选用埋件应达到T=760kN，V=527kN，M=67kN·m。

结构在最不利工况作用下，强度及稳定性满足规范要求。最不利荷载作用下，结构最大位移为19.72mm。在优化结构方案的基础上采用有限元方法进行位移分析，为了进一步确定桁架的计算模型，根据已成型的结构布置为力学模型，在进行有限元分析时，采用桁架模型受力合理，且节约材料和成本。这样的考虑也基于以上的弯矩图，有利于缓解斜撑筒壁支撑位置上应力集中的现象。

此部分有限元分析主要解决了各个杆件的内力，进一步明确了拉压杆件受力，并且验证了斜撑筒壁支撑位置确实缓解了应力集中问题。

3. 4 结构最大位移分析

当软件给出结构最大位移数值后，要与规范规定的允许值进行比对;《钢结构设计标准》GB 50017-2017 附录B中给出了受弯构件的挠度容许值：对于主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架），永久和可变荷载标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值为L/400;可变荷载标准值产生的挠度容许值为L/500;由于辅助措施钢结构均为现场拼接制作，很难满足起拱的要求，所以不考虑起拱;同时吊装时存在可变荷载，为保守起见，采用挠度容许值为L/500。

当有限元分析软件给出结构最大位移小于挠度容许值时，可认为结构可靠。下图展示了Midas软件给出的结构受力后位移分析结果：

从软件给出的结果可知，结构最大位移为垂直向下方向19.72mm，主要发生在红色位置;该辅助措施梁跨度为21m，规范允许最大位移21000/500=42mm。因此，该辅助措施结构完全满足安全可靠要求。

3. 5最优方案确定

在使用有限元分析工具时，还可以对吊点的位置、斜撑支撑点的位置等进行微调，通过结构位移图来确定最佳位置。

在确定初步设计方案时，往往有可能同时存在2个或2个以上方案，这个时候我们就需要多次运用有限元分析工具，对各个方案进行分析，来确定最优方案;应该注意的是，在确定最优方案的时候，要做好经济性与可靠性的平衡，在确保足够可靠性的前提下，尽量降低材料采购、物流运输、加工制作、施工力能以及施工工期等各方面的成本。

4 结语

实践证明，采用有限元分析方法对辅助吊装钢结构进行验算，能够使施工方案更加可靠、科学、经济，对于电力建设施工单位来讲，理论上对于辅助性措施钢结构的受力分析，都可以借助有限元分析工具来进行设计和验算。当然，即使计算准确无误，在辅助吊装钢结构正式使用前，还需要对其进行吊装荷载试验，并经过相关单位验收合格后，方可正式投入使用。

本文来自于施工单位项目现场对有限元分析工具的应用实践，主要介绍了有限元分析工具的操作步骤，以及实践成果;受作者理论知识水平以及实践经验限制，本文难免有疏漏之处，仅供参考。

参考文献

[1]陈宗学. 有限元分析在钢结构工程施工中的应用[J]. 居舍，2018年2月（下），第172页

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计标准：GB 50017-2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2017

作者简介：林浩（1989年11月），男，工程师，任职于中国能源建设集团天津电力建设有限公司，从事建筑施工管理工作。