分段塔架臥式拼裝時錐體結(jié)構(gòu)精度控制

李 籍，邢惟妍，禹 浩

1.中國石油物資有限公司，陜西西安 710000

2.中國石油蘭州石化公司榆林化工有限公司，甘肅蘭州 730060

3.中國石油天然氣銷售河南分公司，河南鄭州 450000

1 工程概況

蘭州石化1.5 萬t/a 硫磺回收裝置環(huán)保升級達標改造工程煙囪塔架總高82 m，質(zhì)量約78 t，呈正三棱錐體結(jié)構(gòu)，底部跨距13 m，頂部跨距4.8 m，主肢由外徑逐步減小的無縫鋼管組成。由于施工現(xiàn)場區(qū)域狹小，不具備整體制作和吊裝條件，因此采用了現(xiàn)場分段預制，逐段吊裝的施工方法。根據(jù)塔架長度、重量、平臺位置以及現(xiàn)場吊車的工況，將整個煙囪塔架共分為四段，高度分別為：19、20、30、13 m。為減少空中組裝的累積誤差，需嚴格控制在地面預制的每一段塔架的結(jié)構(gòu)精度[1]。

2 拼裝方案選擇

為預制出三棱錐體結(jié)構(gòu)，有三種拼裝方案可供選擇：

（1） 方案一：胎具式拼裝。水平臥式將兩根主肢先拼裝成單片，完成第一面的拼裝，然后通過胎具或者支架將第三根主肢固定，最后在立體空間位置進行第二、第三面的拼裝，如圖1 所示順序：①-②-③。但是該方法需要根據(jù)塔架的分段情況分別搭設(shè)或調(diào)整胎具（支架），每段拼裝均需要搭、拆大量腳手架，既費工又費時。

圖1 胎具式拼裝示意

（2） 方案二：翻轉(zhuǎn)式拼裝。這也是常用的一種施工方法，即水平臥式先拼裝成單片，用吊車提升翻轉(zhuǎn)60° 擱置于定位支架上，而后繼續(xù)在平臺面拼裝第二面，最后在立體空間位置拼裝第三面，如圖2 所示。塔架拼裝、翻轉(zhuǎn)需采用兩臺25 t汽車吊配合。該方案能夠利用水平臥式（地面）的有利位置，很好地保證第一面和第二面的結(jié)構(gòu)尺寸，只需通過嚴格控制翻轉(zhuǎn)角度，即可實現(xiàn)第三面的連接。

圖2 翻轉(zhuǎn)式拼裝示意

但是，此方案存在不利因素：首先采用雙車翻轉(zhuǎn)，在這種不穩(wěn)定的狀態(tài)下，第一面翻轉(zhuǎn)角度的測量精度并不易控制，可能會伴隨定位支架多次調(diào)整；其次，成片面積較大（主肢最大間距達13 m），翻轉(zhuǎn)后僅靠中間的槽鋼（鋼管） 梁、拉桿以及支架并不能完全防止扭曲；最后，定位支架可能還會影響第二面和第三面的拉桿連接。這就意味著既要占用較多的吊車臺班，還要多次調(diào)整、搭拆支架，甚至還不能保證結(jié)構(gòu)精度。

（3） 方案三：順序式拼裝。以一段塔架為例，拼裝順序如圖3 中①-②-③所示。先完成水平臥式第一面（面B1B2C2C1） 單片拼裝，然后進行空間立體的連接梁拼裝（A1B1，A1C1、A2B2、A2C2），最后安裝第三根主肢（A1A2）。

圖3 順序式拼裝示意

相比方案一，方案三減少了胎具（支架） 搭設(shè)調(diào)整的工作量，更經(jīng)濟，也利于進度控制。相比方案二，方案三不需要定位支架，免除一些調(diào)整搭拆所做的無用功，也減少安全風險；另外，由于單片無需翻轉(zhuǎn)，所以可節(jié)約一臺吊車，同時由下向上“搭積木”式的拼裝也使吊車的有效利用率更高。通過對比分析可知，方案三具有明顯的經(jīng)濟、安全和進度優(yōu)勢，現(xiàn)場施工將采用此方案。

由圖3 可看出，該方案拼裝將涉及空間位置確定和尺寸的測量。結(jié)合正三棱錐體結(jié)構(gòu)特點，有兩個傾斜尺寸需要嚴格控制：其一，臥式拼裝時面A1B1C1和A2B2C2傾斜程度；其二，第三根主肢A1A2的斜率。在拼裝時，由于空間點A1和A2位置未知，如何保證塔架的空間結(jié)構(gòu)和主肢斜率將成為一個難點，以下將通過模型計算來選擇測量方法。

3 錐體結(jié)構(gòu)控制計算方法

以面A1B1C1為例，它相對于水平面有一定的傾斜角度，作A1M1⊥面B1B2C2C1（如圖4 所示），經(jīng)過幾何計算可以得到|F1M1|和|A1M1|長度。根據(jù)演繹法，在施工過程中，通過測量線段|F1M1|的長度可驗證控制面A1B1C1傾斜度，解決了錐段豎直時三角橫梁水平度的問題；通過調(diào)整線段|A1M1| 和|A2M2|長度（或兩者高差） 就可控制第三根主肢A1A2的斜率，解決了錐體結(jié)構(gòu)豎直時是否到位的問題。為方便觀察計算，將圖4 翻轉(zhuǎn)至豎直位置，如圖5 所示。

運用立體幾何可得：

圖4 輔助線示意

圖5 立體幾何分析

臥式拼裝時分段塔架的空間結(jié)構(gòu)和主肢斜率可以通過測量加以控制，根據(jù)上面的理論計算結(jié)果指導現(xiàn)場拼裝[2]。a1、a2、h 為已知量，由圖紙?zhí)峁?/p>

4 結(jié)構(gòu)拼裝精度控制和檢驗

4.1 主肢預制拼接

拼裝前，按照圖紙長度尺寸在廠房內(nèi)分段預制主肢及其他零部件。對同一管徑的主肢預制段，嚴格檢查直線度偏差；對于有變徑或變斜率的主肢管段，尤其要加強變徑處尺寸控制。以其中一段為例，通過CAD 放樣可得到制作過程中所有需要的長度和截面尺寸（如圖6、圖7 所示）。按尺寸精確定位劃線，實際組對時，每道口的組對間隙、錯邊量均控制良好，保證了過渡段和偏心錐段的制作精度，為后續(xù)拼裝工序打下良好基礎(chǔ)。

圖6 主肢變斜率和變徑情況下放樣示意

4.2 地面單片組裝

在塔架組裝現(xiàn)場用H 型鋼（HM440 × 300 ×11×18） 和鋼管 （φ108 mm ×4.5 mm） 搭設(shè) 1 個長30 m、寬12 m 的拼裝平臺，并用水平軟管抄平。拼裝時，按圖打出地樣，并焊接定位擋板。主肢上同一節(jié)點處的連接板夾角60°通過樣板校準并點固，其余各構(gòu)件嚴格按照圖紙尺寸定位點焊，單片組裝完成后檢查兩端的主肢間距和對角線尺寸。

圖7 變徑處偏心錐段放樣

4.3 空間立體拼裝

首先進行側(cè)面三角橫梁的拼裝，通過計算θ值，制作樣板，按照樣板調(diào)整主肢軸向的傾斜角度。但是，考慮到三角橫梁的長度較大（最大的長約11 m），傾斜角輕微偏差很容易產(chǎn)生“差之毫厘謬以千里”的結(jié)果，所以還需測量橫梁兩端軸向距離以驗證傾斜度。圖8 為現(xiàn)場測量示意。

圖8 現(xiàn)場測量示意

上文錐體結(jié)構(gòu)控制計算方法中的尺寸，均為桿件中心到中心的理論值，在實際拼裝時無法直接測量。但在確定的傾斜角度下，任意截取一段主肢，兩端軸向距離將與上文模型中|F1M1|成比例。參照圖4 和圖8，有：

將|F′M′|理論值與實測值對比，也就能實現(xiàn)驗證、復核橫梁傾斜程度的目的。

現(xiàn)場的測量通過吊線墜的方法實施。以橫梁為鋼管為例（如圖8 所示），在橫梁上部任意位置通過圓環(huán)吊一線墜，由角尺比對即可確定該線墜所對應的橫梁上的R 點，任取一段|RW|，由W 點拉一水平線繩，與線墜一起即可測得|F′M′|。

經(jīng)過角度樣板和線墜測量復核的雙重控制，起吊后橫梁水平度就得到了保證。

接著及時點焊牢固，開始安裝第三根主肢。首先將光滑的主肢安放在傾斜的三角橫梁端頭，嚴格按照理論值調(diào)整線段|A1M1|長度，高度確定后再安裝點焊連接板。依次類推，最終在保證其傾斜角度的情況下完成第三根主肢與三角橫梁的連接，如圖9 所示。

圖9 第三根主肢安裝示意

拼裝完成后，檢查上、下結(jié)合面的各尺寸差、豎面對角線長度差、截面對角線差等，嚴格控制在允許偏差范圍內(nèi)[3]。確認無誤后，采取利于控制變形的順序進行對稱、均勻施焊，長焊縫采用分段跳焊法，并加強對結(jié)構(gòu)尺寸的監(jiān)測。

5 分段吊裝后各主肢傾斜偏差測量

分段組裝后的主肢在空間上是傾斜的，其主視圖也是傾斜的，如圖10 所示。而各鋼結(jié)構(gòu)施工驗收規(guī)范只對垂直度做了規(guī)定[4]，將依照垂直度的測量對傾斜主肢在水平方向上的允許偏差進行換算，如圖11 所示。

圖10 圖紙上主視圖形狀尺寸示意

圖11 傾斜主肢水平偏差換算示意

整個塔架是由不同錐度的四段組成（與吊裝分段并不完全一致），在塔架分段吊裝后，通過經(jīng)緯儀和鋼卷尺測量各待測錐段的|C1E|值（見圖5），而后計算其與圖紙偏差值，最大偏差值見表1。

總之，經(jīng)過吊裝后的復核證明，預制階段采取的測量方法及措施能夠有效地控制錐體結(jié)構(gòu)的拼裝和空中組對，滿足精度要求。該方法解決了水平臥式狀態(tài)下三角橫梁傾斜度和主肢斜率測量難題，節(jié)約大量的預制時間，使現(xiàn)場的施工過程及結(jié)構(gòu)復驗更為簡潔、準確。

表1 塔架安裝后整體尺寸偏差測量值

6 結(jié)論

塔架分段預制時，采用新的拼裝方案，并經(jīng)計算分析提出簡單易行的測量方法用于錐體結(jié)構(gòu)的安裝控制和檢驗，在實踐中應用效果良好，既保證了制作和安裝精度，也節(jié)約了大量的時間和資源。這也為今后特殊結(jié)構(gòu)制作、安裝時，通過測量控制點的轉(zhuǎn)化，尋求更加方便準確的測量方法提供了借鑒。