石化項(xiàng)目鋼框架管廊受力性能與吊裝施工技術(shù)

陳陽(yáng)陽(yáng)

中國(guó)化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 開(kāi)封 475000

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，在城市中對(duì)電力以及供水供氣的需求急劇增加，地下管廊的修建工程也逐漸成熟化。然而，在以往的局限性規(guī)劃下出現(xiàn)了盲目鋪設(shè)管線和搶占城市空間的現(xiàn)象，造成后期鄰近管線改造和擴(kuò)建工程困難等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了城市空間的發(fā)展，不能有效地利用好城市空間結(jié)構(gòu)。因此，如何進(jìn)行城市不同項(xiàng)目的綜合管線推進(jìn)工作是當(dāng)前城市建造中十分重要的問(wèn)題。石化項(xiàng)目在城市建造工程中能夠?qū)φ麄€(gè)城市的能源供應(yīng)提供基礎(chǔ)保障，在很大程度上影響人們的生產(chǎn)和生活。將石化項(xiàng)目鋼框架管廊安置在集中的位置，可有效解決城市當(dāng)前錯(cuò)綜復(fù)雜的局面，減少地面以及高空等附屬設(shè)備的建造，避免管線在建造過(guò)程中對(duì)路面的二次破壞，極大減少了城市每年對(duì)路面的維修和養(yǎng)護(hù)成本。將管線統(tǒng)一安置在綜合管廊內(nèi)，除了能夠降低修建成本和維護(hù)工作外，最主要的作用是可以抵抗自然災(zāi)害，無(wú)論是火災(zāi)還是雨水災(zāi)害均可將其控制在較小的影響范圍，提高其石化管線的安全性。

基于此，本文展開(kāi)研究石化項(xiàng)目鋼框架管廊受力性能，并提出管廊吊裝施工的新方法，以節(jié)約城市資源為目的提供新的理論指導(dǎo)。

1 鋼框架管廊受力性能

在管廊的發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)了多樣的組織結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)不同的管廊形式分析其受力性能。在石化項(xiàng)目鋼框架結(jié)構(gòu)中，管廊在正常使用狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的荷載受力，即在結(jié)構(gòu)內(nèi)部生成鋼筋的受力模式，對(duì)管廊的縱向和橫向接頭產(chǎn)生受力形式[1]。根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法能推導(dǎo)出在外力負(fù)荷下橫向接頭的受力性能存在，能夠促使接頭處發(fā)生位移，從而影響整個(gè)構(gòu)件的橫向收縮。通過(guò)對(duì)其矩形截面的截取，在外力負(fù)荷作用下對(duì)縱向等效抗彎能力進(jìn)行剛度表達(dá)，能夠計(jì)算出等效的縱向接頭承載能力。

2 鋼框架管廊吊裝施工方法

2.1 劃分鋼框架管廊模塊

在鋼框架管廊安裝前，必須對(duì)其進(jìn)行模塊化管理，根據(jù)吊裝施工原則和管廊設(shè)計(jì)原理，對(duì)其進(jìn)行模塊分解，為后續(xù)施工提供質(zhì)量和安全保障。模塊化指的是生產(chǎn)管理中一種化繁為簡(jiǎn)的方式，在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工中能進(jìn)行單品運(yùn)輸協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)模塊的分解和融合完成更優(yōu)的施工目標(biāo)。只有產(chǎn)品自身具備分級(jí)性特征才能完成分解工作，對(duì)產(chǎn)品功能或結(jié)構(gòu)均按照自上而下原則進(jìn)行劃分，管廊作為標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)產(chǎn)品在劃分中將按照高級(jí)與低級(jí)2個(gè)模塊進(jìn)行分級(jí)，高級(jí)模塊包括標(biāo)準(zhǔn)段和節(jié)點(diǎn)等，低級(jí)模塊主要有墻板和其他構(gòu)件等。其中高級(jí)模塊的主要功能為整體構(gòu)件的組合，低級(jí)模塊主要是承壓和填充作用，在管廊斷面較小的情況下利用模塊劃分方式，可最大限度地節(jié)約施工資源和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能。

2.2 選擇吊裝位置和個(gè)數(shù)

在管廊吊裝過(guò)程中，若先進(jìn)行吊點(diǎn)位置界定，便可對(duì)管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)約束，最大限度地完成其結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分析。初步確定吊點(diǎn)位置要按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)吊點(diǎn)位置的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行評(píng)定。本次采用最小彎矩準(zhǔn)則，進(jìn)行吊裝時(shí)可通過(guò)合理調(diào)整吊點(diǎn)位置，促使結(jié)構(gòu)內(nèi)正負(fù)彎矩的數(shù)值相等，吊裝結(jié)構(gòu)由多個(gè)桿件組成，其中彎矩是指組合構(gòu)件最不利的位置[2]。在管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝時(shí)，根據(jù)改建自重作用和邊界條件的各種約束作用，在組織構(gòu)件上會(huì)產(chǎn)生較大彎矩。假設(shè)此時(shí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生出的抗彎剛度較小，而結(jié)構(gòu)卻產(chǎn)生了受彎破壞，即可確定此處為最小彎矩的產(chǎn)生點(diǎn)，并對(duì)構(gòu)件吊點(diǎn)位置進(jìn)行合理布置，使構(gòu)件在后續(xù)吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的彎矩絕對(duì)最小。若管廊吊點(diǎn)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布形式，此時(shí)構(gòu)件處受重力影響在吊點(diǎn)處，會(huì)形成較大負(fù)彎矩，而在絕大部分情況時(shí)構(gòu)件下緣受壓跨中只會(huì)形成正彎矩。因此，需要對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證吊點(diǎn)處兩側(cè)的正彎矩在同一高度平面。

2.3 基于BIM綜合管線完成施工

BIM技術(shù)可將施工信息進(jìn)行無(wú)損傳遞，能準(zhǔn)確預(yù)估整個(gè)施工建造過(guò)程，并在可靠依據(jù)下選擇適宜的吊裝施工方案。由于管廊本身沒(méi)有較精準(zhǔn)的工程計(jì)量軟件，利用BIM的建模手段將所需工程計(jì)量加以考慮，在獲取準(zhǔn)確的工程計(jì)量結(jié)果后對(duì)管線的施工進(jìn)行綜合考量。管廊施工與其他建筑工程一樣，在施工過(guò)程中需要安裝大量管線，除了功能性的給排水和通信等管線，還需要安置消防和電力以及通風(fēng)等管路[3]。在BIM技術(shù)應(yīng)用下，對(duì)需要安裝的鋼框架管廊結(jié)構(gòu)按照劃分后的模塊構(gòu)建出專(zhuān)業(yè)模型，在虛擬施工軟件下完成多次碰撞檢查。通過(guò)模擬過(guò)程中的問(wèn)題找出不合理的管線排布位置，進(jìn)行重修或重復(fù)管線的剔除。在協(xié)調(diào)各施工班組和資源下，采用分段式施工方式對(duì)工程項(xiàng)目?jī)?nèi)重要以及復(fù)雜的模塊進(jìn)行優(yōu)先模擬。至此，在劃分鋼框架管廊模塊，選擇吊裝位置和個(gè)數(shù)，在BIM綜合管線模擬中完成吊裝施工方法設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本次提出的吊裝施工方法具有實(shí)際應(yīng)用效果，通過(guò)吊頂施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力變化，測(cè)試在應(yīng)力作用下各吊點(diǎn)位置的位移情況，以此驗(yàn)證整個(gè)施工方法的安全性。本次實(shí)驗(yàn)以某石化裂解爐鋼框架結(jié)構(gòu)的吊裝為載體，對(duì)工程中大型鋼框架結(jié)構(gòu)整體吊裝進(jìn)行施工布控，選擇每個(gè)吊點(diǎn)的具體位置，并測(cè)試各桿件的吊裝受力情況。在受裂解爐框架結(jié)構(gòu)中，各桿件是無(wú)縫鋼材影響，分析不同位置桿件的受力情況，設(shè)置整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中桿件含有6種不同規(guī)格的截面架構(gòu)，每組架構(gòu)東西方向和南北方向的跨度分別為15 m和40 m，整體框架高度在45 m高程，簡(jiǎn)化后的分析圖呈現(xiàn)矩形平面樣式，局部模塊平面圖如圖1所示。

該鋼框架管廊中包含多個(gè)橫縱向吊裝吊點(diǎn)，且頂部框架結(jié)構(gòu)中存在大噸位鋼梁，從機(jī)械設(shè)備安裝角度出發(fā)，考慮現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，選擇整體吊裝和空中散落結(jié)構(gòu)的銜接安裝，對(duì)裂解爐吊裝進(jìn)行模塊化分段。運(yùn)用該方法提出的吊裝施工流程為：構(gòu)件檢查-框架結(jié)構(gòu)整體吊裝拼接-尺寸測(cè)量-吊點(diǎn)扎綁-80 cm降落起吊-正式吊裝-平移降落位置設(shè)計(jì)-固定并驗(yàn)收。

3.2 安裝過(guò)程

常態(tài)下框架結(jié)構(gòu)的整體吊裝需要考慮荷載情況，包括框架結(jié)構(gòu)自身自重和風(fēng)荷載作用，以及在吊裝時(shí)吊點(diǎn)的提升力，實(shí)際吊裝過(guò)程的風(fēng)荷載較小，可看作是結(jié)構(gòu)的靜態(tài)水平移動(dòng)，直接分析過(guò)程的結(jié)構(gòu)靜力即可。在控制重力加速度大小情形下，對(duì)框架結(jié)構(gòu)完成終極的荷載模擬，通過(guò)球節(jié)點(diǎn)相連接時(shí)的構(gòu)建重力，按照原有值的1.5倍進(jìn)行系數(shù)增大，以此設(shè)置起吊過(guò)程中的負(fù)荷動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)。

在吊點(diǎn)處施加吊索方向進(jìn)行單向約束，通過(guò)有限單元計(jì)量對(duì)可能出現(xiàn)的漂移結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，利用支座節(jié)點(diǎn)代替吊點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬，得到共計(jì)30節(jié)點(diǎn)支座。在SAP2000對(duì)接約束軟件下，將裂解爐框架最外側(cè)的6組支座，按照空間坐標(biāo)位置進(jìn)行自由度轉(zhuǎn)換，將剩余24個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻地通過(guò)支座與框架底部相連，具體示意圖如圖2所示。

圖2 裂解爐框架節(jié)點(diǎn)底座連接示意圖

圖2中在節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)上方標(biāo)注了各桿件的序號(hào)，根據(jù)單體模塊在吊裝工程中的軸力趨勢(shì)，分別對(duì)處于邊緣的節(jié)點(diǎn)支撐構(gòu)建進(jìn)行軸力分析。對(duì)各吊點(diǎn)的軸力與剪切力進(jìn)行設(shè)計(jì)，以每隔5 m的高程對(duì)整體框架的構(gòu)件進(jìn)行劃分，不同高程內(nèi)各個(gè)支力點(diǎn)構(gòu)件的軸力會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變化，具體如圖3所示。

圖3 支點(diǎn)構(gòu)件軸力變化圖

由圖3可知，支撐桿件在負(fù)載傳遞過(guò)程中的主要支撐構(gòu)架會(huì)先通過(guò)橫向邊緣移動(dòng)，在內(nèi)力平穩(wěn)的傳遞到吊點(diǎn)左右支撐構(gòu)件后，其支撐點(diǎn)的邊緣距離與傳力比呈現(xiàn)先遞減后遞增情況。隨著高程的增加支撐桿件支點(diǎn)的軸力值逐漸增加，對(duì)應(yīng)底座的樁點(diǎn)位置軸力值減少，從整體框架安裝角度來(lái)看，安置的6組節(jié)點(diǎn)支座和支撐點(diǎn)能夠滿足管廊的軸力強(qiáng)度負(fù)載。

3.3 性能測(cè)試結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該施工方法能減少吊點(diǎn)的位移情況，對(duì)軸力負(fù)載承受值最大處的高程構(gòu)件，進(jìn)行橫軸方向與豎軸方向的位移測(cè)試。常規(guī)下單塊模塊在不同工況下構(gòu)件的位移趨向呈現(xiàn)相反勢(shì)態(tài)，即吊裝工程內(nèi)豎向構(gòu)件在自上而下的變化條件時(shí)位移值會(huì)越來(lái)越大。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)位移控制在±10 mm以?xún)?nèi)，表示管廊施工符合標(biāo)準(zhǔn)，此次裂解爐框架包含豎軸和橫軸各2組，對(duì)會(huì)產(chǎn)生最大位移處的高程進(jìn)行多輪測(cè)試，具體結(jié)果如表1所示。

表1 橫軸與豎軸構(gòu)件位移情況 mm

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在裂解爐框架橫軸與豎軸構(gòu)件的位移測(cè)量中，每個(gè)構(gòu)件的位移均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，且最大位移未超過(guò)2 mm，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的吊裝手工方法具有實(shí)際應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在研究石化項(xiàng)目鋼框架管廊受力性能的基礎(chǔ)上，提出了新的管廊吊裝施工方法，通過(guò)劃分鋼框架管廊模塊，選擇吊裝位置和個(gè)數(shù)，在BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)下完成綜合管線施工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以某石化裂解爐鋼框架結(jié)構(gòu)的吊裝為載體，進(jìn)行多個(gè)吊裝吊點(diǎn)的施工安裝，在多次橫軸與豎軸的構(gòu)件位移測(cè)量中，平均位移值均控制在2 mm以?xún)?nèi)，具有實(shí)際應(yīng)用效果。