談大型鋼結(jié)構(gòu)通廊吊裝設(shè)計方案優(yōu)化

胡獻民

(中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司，北京　100080)

談大型鋼結(jié)構(gòu)通廊吊裝設(shè)計方案優(yōu)化

胡獻民

(中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司，北京100080)

摘要:結(jié)合某工程的實際情況，比選了大型鋼結(jié)構(gòu)通廊吊裝及吊機方案，闡述了吊裝的技術(shù)措施，并從吊點位置、荷載、鋼絲繩等方面，計算分析了吊裝的設(shè)計方案，經(jīng)實踐證明該吊裝方案保證了施工的安全性與經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞:通廊桁架，吊裝技術(shù)，鋼絲繩，支架

1　工程概況

某鋼鐵公司2 580 m3高爐采用并罐式無料鐘爐頂設(shè)備，皮帶機上料。上料系統(tǒng)主皮帶通廊總長約271 m，橫斷面軸線尺寸為寬4.4 m×高4.7 m(外包尺寸5 m×5 m)，工程結(jié)構(gòu)總重851 t。通廊結(jié)構(gòu)為平行弦桁架，弦桿為焊接H型鋼，端豎桿為H型鋼，其余腹桿為H型鋼和普通型鋼斷面;四組支架除RA4為鋼管(螺旋焊管)柱三角支架外(固定支架)，其余為單片支架; RA2支架柱為H型鋼斷面，其他支架柱為螺旋焊管斷面。通廊共分五組，仰角11.688 8°，上弦最低標高18.5 m，最大標高74 m，支架底座底面標高5.15 m。通廊及支架尺寸，重量見表1。

表1　通廊及支架尺寸、重量表

由表1可知，其中通廊RA8最長且最重，自然吊裝難度最大。本文主要通過分析解決RA8通廊安裝方案的技術(shù)問題(施工組織、安全措施、常規(guī)的工機具等在本文中從略)。分析大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝設(shè)計方案的選擇與優(yōu)化，從而確保達到安全性、經(jīng)濟性與快速性的統(tǒng)一。

2　安裝方案的優(yōu)化選擇

可供選擇的方案有兩種:

方案一:通廊桁架在制作場地制作好，分片、分段運至安裝場地，組裝成兩片平面桁架，依次將平面桁架吊裝到位，找正固定后，再在高空將平面桁架通過水平桁架構(gòu)件連接成空間桁架，形成通廊，隨后再安裝走道、欄桿、圍護結(jié)構(gòu)等。

方案二:通廊桁架在制作場地制作好，分片、分段運至安裝場地組裝成通廊(空間桁架)，整體吊裝。為減輕吊裝重量，通廊走道、欄桿、圍護等輔助構(gòu)件暫不安裝，待通廊吊裝就位后再安裝。

比較此兩種方案:

第一種方案吊裝件重量輕，可選用較小的吊機和吊具，但是每片平面桁架吊裝到位后，其調(diào)整找正和穩(wěn)定難度較大，高空作業(yè)量較大，安全風(fēng)險較大，且要準備大量穩(wěn)定桁架用的鋼絲繩、卡環(huán)、地錨、導(dǎo)鏈等材料和工機具，現(xiàn)場要占用的勞動力和材料、工機具較多，安裝工期較長。

第二種方案吊件重量大，需選用起重量大的吊機和配套吊具，吊裝作業(yè)方案必須精細，現(xiàn)場操作要求較精準。但此方案避免了第一方案的缺點，既能大大減少高空作業(yè)量、現(xiàn)場占用的勞動力、安裝用材料和工機具，且能有效地縮短吊裝工期。

根據(jù)當時項目部和當?shù)刭Y源狀況，權(quán)衡兩種方案各自利弊，決定采用第二種方案。

3　吊機選用方案的優(yōu)化選擇

根據(jù)通廊重量、幾何尺寸、吊裝高度、場地狀況及項目部已有的吊機和當?shù)氐鯔C資源，考慮以下兩種方案:

方案一:利用一臺500 t汽車吊和一臺300 t的汽車吊實施雙機抬吊。采用此方案吊機起重能力較為富余，兩臺吊機機型相似，額定起重量相近，作業(yè)方案和現(xiàn)場操作按常規(guī)即可，安全系數(shù)較大。但兩臺均為大起重量的吊機，吊機租賃費用大，而現(xiàn)場自有的一臺150 t履帶吊卻“吃不飽”。此方案顯然不符合經(jīng)濟原則。

方案二:現(xiàn)場項目部已有一臺150 t的坦克吊，可加以利用，故可采用一臺500 t的汽車吊與150 t坦克吊實施雙機抬吊。此方案充分利用了現(xiàn)場資源，大大減少了吊機租賃支出，節(jié)約了施工成本，而且履帶吊可在吊裝場地負重緩慢行駛，利于吊件就位。但此方案吊機的起重能力余量較小，且因兩臺吊機機型不同，額定起重量相差懸殊，故對吊點位置、站車位置和行走路線、吊件擺放位置、吊件運行軌跡等必須進行精準設(shè)計計算，吊車操作也必須加倍謹慎，就位失敗和安全風(fēng)險相對較大。如若一次不能吊裝到位，必須卸下吊件，重做方案，更換吊機或減荷，實施二次吊裝，所需時日難以預(yù)計。而每延誤1 d，將浪費吊車租賃費數(shù)萬元，而且拖延了工期。如出現(xiàn)安全事故，其損失更為慘重。

方案對比分析:

考慮到第一方案的增大施工成本的缺點是必將發(fā)生的，無法避免。租賃大吊機，必須付出租賃費，施工方無法控制。而第二方案的缺點是與人的技術(shù)水平、責(zé)任心、工作精細與否相關(guān)的，是人為的，可通過精心設(shè)計和謹慎操作克服，是施工方可控的，是可避免的。故最終選擇第二方案。

因通廊“重、大、長”，從制作場地到安裝場地整體運送通廊非常困難，故宜在安裝場地組裝。組裝通廊的位置需顧及兩臺吊車的站車位置。

4　吊裝技術(shù)措施

1)仔細閱讀主皮帶通廊施工圖，準確掌握與吊裝相關(guān)的數(shù)據(jù)。精心編制方案作業(yè)，并繪制必要的平、立面圖。

2)認真分析吊車、鋼絲繩、吊件受力情況，正確繪出計算簡圖，以便進行各項設(shè)計計算。

3)認真對施工人員(特別是吊車司機)進行作業(yè)方案交底，對每個細節(jié)都經(jīng)過充分討論，做到人人都知道為什么要這樣做，應(yīng)該怎樣做。

4)加強現(xiàn)場技術(shù)管理，強調(diào)必須按設(shè)計作業(yè)方案，站車位置經(jīng)實測實量，場地標高、承載力應(yīng)符合設(shè)計要求，鋼絲繩、卡環(huán)、倒鏈等工機具規(guī)格符合設(shè)計，且不影響強度的損傷。

5)鋼絲繩與吊件連接采用捆綁式，為減少起重臂長度，吊點設(shè)置在兩側(cè)桁架下弦節(jié)點，每臺吊機設(shè)置兩個吊點，每吊點與吊鉤間為兩根鋼絲繩，吊點處鋼絲繩用卡環(huán)連接。鋼絲繩從通廊內(nèi)向上穿出。鋼絲繩捆綁節(jié)點處用密排木方將鋼絲繩與鋼結(jié)構(gòu)隔離，以防鋼絲繩勒傷桁架下弦。

6)吊裝場地為老土，承載力大于250 kPa，能滿足吊車行走和站車要求。場地標高大體為設(shè)計標高±0.000。用礦渣填平局部低洼處，并找平壓實，確保場地平整。因為通過電腦繪圖知，在通廊提升到最高處時，150 t吊機的吊臂與通廊凈距較小(不到1 000 mm)，故在150 t坦克吊站車范圍用礦渣墊高300 mm，并鋪設(shè)路基板，以保證吊車負重移車平穩(wěn)和增加起重臂與吊件間的距離，防止意外“卡桿”。

5　吊裝設(shè)計方案計算

1)吊點位置確定。先計算吊件重心位置。重心在水平方向的坐標由下式計算:

其中，mi為第i構(gòu)件的質(zhì)量; xi為第i構(gòu)件重心的水平方向的坐標; n為構(gòu)件個數(shù)。

由于該通廊桁架桿件沿水平方向均勻布置，而且縱向、橫向均為正對稱，可確定重心在對稱軸上，可免于進行繁瑣計算。

再根據(jù)兩臺吊機的額定起重量之比為500/150 =3.3，150/500 = 0.3。同時考慮到要避免吊點外桁架懸臂部分太長而使上下弦產(chǎn)生過大應(yīng)力，則可將500 t吊機的吊點設(shè)置在第5個下弦節(jié)點處(自左端起算)，離重心為3個節(jié)間距;將150 t吊機的吊點設(shè)置在桁架右端部下弦節(jié)點處，離重心為7個節(jié)間距，二者力矩臂之比為3/7 =0.435。兩臺吊機起重量之比與力矩臂之比雖不正好成反比，但是可以通過荷載計算確認荷載分配是否在吊機的起重能力范圍內(nèi)。

2)荷載計算。由通廊有關(guān)數(shù)據(jù)表知，RA8通廊自重171 t。為減輕吊裝荷載，現(xiàn)場組裝時，走道、欄桿及圍護結(jié)構(gòu)均未安裝，實施吊裝的通廊重量為113 t。

吊車由桁架自重產(chǎn)生的荷載:

設(shè)500 t吊機承受的荷載為Fa，150 t吊機承受的荷載為Fb，二者吊點離桁架重心的距離分別為La，Lb，桁架節(jié)間距為d，則La=3d，Lb=7d。

根據(jù)平衡條件得:

解式( 1)，式( 2)得:

在確認吊車選型時，還需考慮吊具的重量。

3)鋼絲繩內(nèi)力計算。鋼絲繩受力計算的計算簡圖及與之相關(guān)的吊鉤受力圖(平面匯交力系)、平衡條件(自行封閉的力多邊形)如圖1所示。

圖1　鋼絲繩內(nèi)力計算示意圖

500 t吊機的鋼絲繩:

現(xiàn)場已有鋼絲繩長15 m，繞過吊鉤對折后從吊鉤到吊點長7 m，鋼絲繩與豎直方向的夾角α= 18.3°，cosα= cos18.3°= 0.949 4，由平衡條件得每側(cè)(兩側(cè)鋼絲繩對稱，拉力相等)鋼絲繩拉力為:

每根(每側(cè)兩根鋼絲繩，拉力相等)鋼絲繩拉力為:

150 t吊機的鋼絲繩:

鋼絲繩長度、夾角同上。

由平衡條件得每側(cè)鋼絲繩拉力為:

每根鋼絲繩拉力為:

4)鋼絲繩選用。鋼絲繩破斷拉力總和Fg按下式計算:

其中，［Fg］為允許拉力; K為安全系數(shù)，通常取8～10，此處取8。

此作業(yè)設(shè)計方案中，以鋼絲繩的工作拉力作為允許拉力［Fg］，按上述公式計算破斷拉力總和Fg，再查鋼絲繩規(guī)格表選擇鋼絲繩。

500 t吊機選用鋼絲繩:查鋼絲繩規(guī)格表知，需選用公稱抗拉強度為1 813 MPa的鋼絲繩，6×37 +1型，直徑56 mm，其破斷拉力總和為2 131.5 kN。150 t吊機選用鋼絲繩:

查鋼絲繩規(guī)格表知，需選用公稱抗拉強度為1 813 MPa的鋼絲繩，6×37 +1型，直徑36.5 mm，其破斷拉力總和為912.87 kN。

根據(jù)鋼絲繩的最大拉力和鋼絲繩的規(guī)格，查卡環(huán)規(guī)格表，確定500 t吊車的鋼絲繩選用起重能力為32 t(卡環(huán)本體直徑d = 74 mm)的卡環(huán)，150 t的吊車選用起重能力為16 t( d =52 mm)的卡環(huán)。按公式［Q］= 40d2(［Q］為容許荷載，N)驗算，滿足強度條件。

5)吊裝狀態(tài)桁架驗算。由于桁架吊裝時的荷載(僅有自重，且未安裝走道、欄桿及圍護結(jié)構(gòu))遠小于正常工作時的荷載(全部自重，還有設(shè)備重量及工料重量，且受動載作用)，再由于桁架工作時為簡支，而吊裝時為外伸結(jié)構(gòu)，桁架安裝時的內(nèi)力肯定遠小于其設(shè)計內(nèi)力。

以de桿為例(兩片桁架共同工作) :

設(shè)de桿的內(nèi)力(拉力)為Nde，以a—a右側(cè)部分作為脫離體，可得:

一片桁架的上弦最大拉力只有656.3/2 = 328.1 kN，遠小于設(shè)計內(nèi)力5 556 kN。

勿庸置疑，吊裝狀態(tài)下，其他桿件的內(nèi)力也必然遠小于設(shè)計內(nèi)力。因此，在此例中，不必進行吊裝狀態(tài)下的強度、剛度、穩(wěn)定性驗算。

6)吊裝平面圖和立面圖。認真閱讀施工圖，掌握吊件(通廊桁架)的重量、幾何尺寸(主要是外包尺寸，長度、寬度、高度)、起吊高度，計算出吊車荷載，踏勘吊裝現(xiàn)場的基礎(chǔ)上，根據(jù)吊車性能表，選擇起重臂長度，回轉(zhuǎn)半徑，確定站車位置。對150 t履帶吊，還需確定其運行路徑。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪出吊裝平面圖和立面圖。必須按實際尺寸、按比例繪制，以便確認吊件從起吊到就位于支架上的全過程通廊運行軌跡，確保吊件上升、平移、旋轉(zhuǎn)無阻，不出現(xiàn)吊件不能準確落位和“卡桿”等問題。

6　實施結(jié)果

按此吊裝作業(yè)設(shè)計方案進行RA8通廊吊裝，吊裝過程順利，從吊車進場，站車，安裝配重，掛鋼絲繩(包括構(gòu)件裹裝保護物)到起鉤，觀察吊機負重狀態(tài)，升鉤，調(diào)整傾斜角度，吊件就位，找正，固定，只用了半個工作日。實踐證明，此吊裝作業(yè)設(shè)計方案符合科學(xué)性、可行性，安全、經(jīng)濟、可靠。

針對吊件重( 113 t)、大(橫斷面外包尺寸5 m×5 m)、長( 66 m)、高(吊56 m)，兩臺吊機機型不同(一臺為汽車吊，另一臺為履帶吊)、額定起重量相差懸殊( 500 t和150 t)的特定狀況，此吊裝作業(yè)設(shè)計方案較為精細，以致施工過程安全，吊機起重能力得到充分利用(每臺吊機的荷載與其在圖示工況下的起重能力十分接近)，避免了盲目追求“超安全”而不惜浪費資源，以致吊機選用機型過大的弊端。

正因為如此，隨后的幾段通廊吊裝安裝也參照了此吊裝作業(yè)設(shè)計方案(只根據(jù)其他各段通廊與RA8的不同處略作修改)，確保主皮帶通廊的安裝安全、順利完成。

On optimization of vestibule hoisting design scheme of large-scale steel structure

Hu Xianmin
( Sinosteel Engineering Design＆Research Institute，Beijing 100080，China)

Abstract:Combining with the fact of some project，the paper compares the vestibule hoisting and crane scheme in large-scale steel structures，illustrates the hoisting technical measures，analyzes the hoisting design scheme from the hoisting location，loading，and steel wire rope，and proves by the practice that the hoisting scheme ensures the safety and money-saving feature of the construction.

Key words:vestibule，hoisting technique，steel wire rope，support

作者簡介:胡獻民(1961-)，男，高級工程師

收稿日期:2015-11-25

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0099-03

中圖分類號:TU758.1

文獻標識碼:A