李如軍

（陜西建工集團(tuán)設(shè)備安裝工程有限公司公司  西安  710068）

    我單位承接的某煉油廠火炬與火炬塔架制作安裝工程中，火炬與火炬塔架由火炬筒、火炬塔架、火炬頭、控制管線，控制電器等組成，塔架式火炬筒采用Φ820毫米Χ10毫米鋼管，高88米，火炬筒金屬總重量19.7噸�；鹁嫠�架為自立式高聳構(gòu)筑物，采用鋼管結(jié)構(gòu)，高度87.4米，鋼材總重量147噸，塔架形狀為等邊三角形，底部邊長25米（±0.00），頂部邊長6.45米（+87.4米）�；鹁骖^為定型產(chǎn)品，重2.8噸，高4米，火炬與火炬塔架安裝在某煉油廠山頂，施工場(chǎng)地受限。

 

    2.1現(xiàn)場(chǎng)制作安裝

    火炬筒與火炬塔架所用材料均運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)制作安裝，在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)預(yù)制場(chǎng)地和一定面積的工棚，鋪設(shè)構(gòu)件放樣劃線用鋼平臺(tái)，對(duì)筒體、塔架進(jìn)行分段預(yù)制。

    火炬筒吊裝采用倒裝法：火炬筒總體高度為88米，上有4米高的火炬頭待裝，且在狹窄山頭上安裝采用常規(guī)的正裝方法難度較大，而倒裝法安全可靠，避免了高空作業(yè)。

    火炬塔架采用倒裝與正裝兩種方法：火炬塔架24.9米至87.4米采用倒裝法，14.9米第一層平臺(tái)以下采用正裝定位，14.9米至24.9米這一段火炬塔架在24.9米以上塔架吊高至25米處時(shí)由汽車吊配合在高空完成組裝對(duì)接任務(wù)。

 

    2.2吊裝工藝

    火炬塔架的安裝采用塔架、火炬互為桅桿倒裝法施工，先利用火炬筒作為中心桅桿來進(jìn)行火炬塔架的吊裝，再利用火炬塔架吊裝火炬筒，如此分段吊裝交換進(jìn)行，逐步升高，完成整個(gè)火炬筒及塔架的安裝。

 

    2.2.1首先吊裝火炬筒的最上一段，即錐體架以上部分，火炬頭在此時(shí)安裝就位。布置在火炬筒頂部分布均勻的6根Φ17.5毫米鋼絲繩作為火炬筒的固定纜風(fēng)繩與地錨固定，在火炬筒中下部位設(shè)活動(dòng)管包箍，活動(dòng)管包箍按120度均等分三段，分別包在火炬筒上用螺栓連接牢固，活動(dòng)管包箍上分別焊接三個(gè)吊耳，吊耳中心線與三角形火炬塔架角中心線下吊點(diǎn)重合,吊耳作為火炬塔架吊裝的上吊點(diǎn)，吊裝角控制在12度以內(nèi)。

 

    2.2.2三角形火炬塔架分段制作，分段組裝。先在工作平臺(tái)組裝火炬塔架的最上一段，組裝兩面，另一面再用汽車吊吊裝就位（穿過火炬筒）后組裝焊接，火炬塔架頂部的固定平臺(tái)欄桿同時(shí)焊接就位，在固定平臺(tái)中心與火炬筒外緣之間留有2-3厘米的間隙，作為火炬塔架提升中的上活動(dòng)支點(diǎn)，下活動(dòng)支點(diǎn)設(shè)在提升塔架段底部水平桿與火炬筒相交處，按120度布置設(shè)三點(diǎn)，并與火炬筒留有2-3厘米的間隙，讓火炬塔架在提升過程中能順利滑移。為了保證火炬塔架提升過程中的平穩(wěn)及平衡，在火炬塔架頂部設(shè)三根Ф17.5毫米鋼絲繩，作為塔架提升過程中的活動(dòng)輔助纜風(fēng)繩控制塔架頂部位移。

 

    2.2.3火炬塔架吊裝，采用三套50噸6Χ6的滑輪組，上吊點(diǎn)分別設(shè)在火炬筒三個(gè)吊耳處，三個(gè)下吊點(diǎn)分別設(shè)在三角形火炬塔架起吊段底部立柱角的橫梁上，吊點(diǎn)與角平分線重合。牽引繩選用6х37+1-170、直徑21.5毫米的鋼絲繩，分別由三套滑輪組經(jīng)過火炬筒底部基礎(chǔ)上設(shè)的三個(gè)10噸導(dǎo)向滑輪引至三臺(tái)5噸卷?xiàng)顧C(jī)牽引。當(dāng)火炬塔架提升到適當(dāng)高度后，再把需要組裝的下段放在基礎(chǔ)上并與上一段組裝焊接，依次進(jìn)行將全部火炬塔架組裝完成。

 

    2.2.4火炬筒升高，利用火炬塔架三個(gè)角的主立管綁扎上吊點(diǎn)，下吊點(diǎn)將設(shè)在火炬筒體上的活動(dòng)包箍吊耳移至火炬筒吊裝段的底部固定，變?yōu)橄碌觞c(diǎn)，提升與組裝下段火炬筒與上述方法相同。

    3.1火炬筒（桅桿）受力分析

    3.1.1水平推力對(duì)火炬筒的作用：

    火炬塔架起吊過程中，三套滑輪組分別由三個(gè)獨(dú)立卷揚(yáng)機(jī)完成提升，每個(gè)人的操作技能及三臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等不可能達(dá)到完全一致，塔架提升過程中滑動(dòng)支點(diǎn)不可能不與桅桿相擠碰，這樣就形成對(duì)桅桿產(chǎn)生的水平推力，最不利的情況是設(shè)在塔架底部的三個(gè)滑動(dòng)支點(diǎn)，其中有2個(gè)同時(shí)頂著火炬筒（桅桿）。假設(shè)塔架向上提升時(shí)火炬筒（桅桿）已傾斜1度，此時(shí)二套滑輪組提升時(shí)的水平合力大于另一套滑輪組的水平力，大于的力就要由火炬筒（桅桿）來承擔(dān)，這個(gè)力對(duì)火炬筒產(chǎn)生彎矩M_水。

 

    3.1.2風(fēng)荷載對(duì)火炬筒產(chǎn)生的作用力

    火炬塔架吊裝段的頂部和底部分別設(shè)了兩處滑動(dòng)支點(diǎn)，風(fēng)荷載的力分別作用在上下兩處滑動(dòng)支點(diǎn)上，塔架的迎風(fēng)面為梯形狀，上支點(diǎn)的風(fēng)荷載主要靠塔架頂部設(shè)的活動(dòng)纜風(fēng)繩平衡，下支點(diǎn)的風(fēng)荷載按作用在火炬筒（桅桿）上考慮，這個(gè)力對(duì)火炬筒產(chǎn)生彎矩M_風(fēng)。

 

    3.1.3吊耳對(duì)火炬筒產(chǎn)生的彎矩M_吊。

    3.1.4固定纜風(fēng)繩的作用力

    火炬筒頂部均勻布設(shè)的6根纜風(fēng)繩，主要是保證火炬筒在火炬塔架吊裝中承載能力的穩(wěn)定性和鉛垂度，同時(shí)對(duì)火炬筒產(chǎn)生軸向壓力P₁。

 

    3.1.5活動(dòng)纜風(fēng)繩的作用力

    火炬塔架吊裝過程中，在塔架頂部設(shè)了三根活動(dòng)纜風(fēng)繩，主要作用是控制塔架在吊裝中與火炬筒中心保持垂直平衡，同時(shí)抵抗風(fēng)荷載防止塔架在提升過程中的傾斜。同時(shí)對(duì)炬筒（桅桿）產(chǎn)生軸向壓力P₂。

 

    3.1.6吊重作用力

    作用在火炬筒（桅桿）上有火炬塔架自重104噸，火炬頭2.8噸，火炬筒自重19.7噸，跑繩的拉力，吊裝索具的重量，這些重量同時(shí)作用在火炬筒上。P_3。

 

    3.2穩(wěn)定性校核分析：

    利用桅桿吊裝，一般情況下在吊點(diǎn)處均設(shè)有固定纜風(fēng)繩，在校核桅桿的穩(wěn)定性時(shí)，此點(diǎn)可作為活動(dòng)鉸支，但在利用火炬筒作為吊裝桅桿時(shí)，由于火炬塔架為格構(gòu)式組成，起吊過程纜風(fēng)繩影響塔架提升，在吊點(diǎn)36米處無法設(shè)置固定纜風(fēng)繩，設(shè)置活動(dòng)纜風(fēng)繩操作不方便，且高空作業(yè)危險(xiǎn)性較大。

 

    3.2.1吊點(diǎn)處絞支形式的探討：

    上吊點(diǎn)36米處分布均勻的設(shè)了三組滑輪組（圖2）組成了以鋼絲繩滑輪組（斜邊），火炬筒（直邊）和火炬塔架底部的水平桿為（鄰邊）的柔體加剛體的吊裝三角形，即ΔO’AO=ΔO’BO=ΔO’CO，由于火炬塔架底部是剛性等邊三角形，每個(gè)角的內(nèi)角均為60度,所設(shè)下吊點(diǎn)也是按等邊三角形布置,形成的火炬筒上吊點(diǎn),三套滑輪組及下吊點(diǎn),火炬塔架底部組成的立體吊裝三角形,即ΔO’AB=ΔO’BC=ΔO’CA，由于被吊的火炬塔架布局均勻質(zhì)量對(duì)稱相等，在這個(gè)受力立體三角形中，三個(gè)吊點(diǎn)的作用力與反作用力在上吊點(diǎn)O’處應(yīng)該是平衡的。在火炬塔架提升過程中，立體三角形的形狀大小提升角度在變化，但作用于上吊點(diǎn)的立體三角形之間的受力關(guān)系不變，只要上吊點(diǎn)以上的火炬筒能保持穩(wěn)定，此吊點(diǎn)處可以作為活動(dòng)絞支對(duì)待，同時(shí)火炬筒（桅桿）的有效長度也可以按上吊點(diǎn)以下36米段考慮。

 

    3.2.2火炬筒（桅桿）受力最不利段分析

    在塔架吊裝過程中最不利的吊裝是最后一節(jié)，即24.9米以上塔架的提升，此時(shí)火炬筒纜風(fēng)繩已提升至96米處，（火炬筒高度88米加火炬頭高度4米再加4米高度即考慮火炬筒固定纜風(fēng)繩對(duì)火炬塔架提升的影響），此時(shí)火炬筒（桅桿）整體受力情況是：上吊點(diǎn)36米以上部分只有6根纜風(fēng)繩對(duì)火炬筒的作用力、火炬頭的重量、火炬筒自重和風(fēng)荷載的附加力矩；而上吊點(diǎn)36米以下部分的受力有火炬塔架吊裝段重量、吊裝索具重量、3套滑車組的牽引力、火炬塔架頂部三根活動(dòng)纜風(fēng)繩的作用力、火炬筒全部自重、火炬頭重量、6根固定纜風(fēng)繩作用力和附加力矩M_風(fēng)M_水M_吊等。顯然，上吊點(diǎn)36米以下火炬筒(桅桿)部分受力。最大最不穩(wěn)定。受力最不穩(wěn)定的位置按鋼管桅桿考慮應(yīng)在上吊點(diǎn)以下中心及18米處。在上述的吊裝中只要火炬筒（桅桿）上吊點(diǎn)以下部分，穩(wěn)定、安全，就能滿足火炬塔架的吊裝要求。為了保證火炬塔架最后一節(jié)的吊裝成功，我們?cè)?6米吊點(diǎn)以下段采用加固措施，用了三根Ф426Х10長36米的無縫鋼管，分別按120度布置，并與火炬筒采用剛性連接，加固后形成整體受力段。

 

    4.火炬筒（桅桿）上吊點(diǎn)36米以下部分的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

    1)荷載重量

    考慮塔架重、滑輪組重、綁繩重、塔架纜風(fēng)繩重，及綁扎點(diǎn)加固件重量等因素靜載重量為103771.74kg,綜合載荷S=K₁.K₂.Q=1.1×1.1×103771.74=125563.8kg.

     K₁―動(dòng)載荷系數(shù)取1.1        K₂―不均衡載荷系數(shù)取1.1

 

    2)計(jì)算三套滑輪組對(duì)火炬筒(桅桿)的軸向壓力S₁，最大吊裝角取12⁰

    S₁=S.COS12⁰=125563.8×COS12⁰=122819.9kg

 

    3)計(jì)算卷揚(yáng)機(jī)跑繩拉力S₂滑輪組為H50×6D

    S₂=S/n.η=125563.8/(12×0.775×3)=45005.5kg

 

    4)計(jì)算風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩M_風(fēng)

    ①風(fēng)荷載計(jì)算  P=∑W_jF_i

    各高度段標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值的確定，基本風(fēng)壓W_o取W_o=0.25kN/m²

    W_j=β_z.μ_s.μ_z.W₀

    自振周期T₁≈H/100=（62.5+18）/100=0.805s，則W₀T₁²=0.25kN/m²×(0.805s)²=0.162kNs²/m²

    風(fēng)振系數(shù)β_z=1+(ξ.υ.φ_z)/μ_z

    查資料ξ=1.98     υ=0.89       φ_z=1      μ_z 在18m、30m、40m、50m、60m、70m、80.5m分別為1.25、1.42、1.56、1.67、1.77、1.86、1.95

    β₁₈=1+（1.98×0.89×1）/1.25=2.41

    β₃₀=1+（1.98×0.89×1）/1.42=2.24

    β₄₀=1+（1.98×0.89×1）/1.56=2.13

    β₅₀=1+（1.98×0.89×1）/1.67=2.06

    β₆₀=1+（1.98×0.89×1）/1.77=2

    β₇₀=1+（1.98×0.89×1）/1.86=1.95

    β_80.5=1+（1.98×0.89×1）/1.95=1.9

    取擋風(fēng)系數(shù)φ=0.5      μ_z=1.2φ=0.6

    W_k18=2.41×0.6×1.25×0.25kN/m²=0.45kN/m²

    W_k30=2.24×0.6×1.42×0.25kN/m²=0.48kN/m²

    W_k40=2.13×0.6×1.56×0.25kN/m²=0.50kN/m²

    W_k50=2.06×0.6×1.67×0.25kN/m²=0.52kN/m²

    W_k60=2×0.6×1.77×0.25kN/m²=0.53kN/m²

    W_k70=1.95×0.6×1.86×0.25kN/m²=0.54kN/m²

    W_k80.5=1.9×0.6×1.95×0.25kN/m²=0.56kN/m²

 

    ②火炬塔架迎風(fēng)面積和火炬筒（桅桿）迎風(fēng)面積之和為F_i

    F₁₈=45m²        F₃₀=40m²    F₄₀=35m²    F₅₀=30m²    F₆₀=25m² F₇₀=20m²    F_80.5=15m²

 

    ③火炬筒（桅桿）承受的風(fēng)載荷按兩個(gè)滑輪支架考慮每個(gè)承擔(dān)P_風(fēng)/2風(fēng)載。

    P_風(fēng)=∑W_kF_i=0.45×45+0.48×40+0.50×35+0.52×30+0.53×25+0.54×20+0.56×15=105kN

    每個(gè)滑動(dòng)支架承擔(dān)的風(fēng)載為105/2=52.5kN

 

    ④風(fēng)荷載彎矩M_風(fēng)，取火炬筒（桅桿）吊點(diǎn)中部高度18m處

    M_風(fēng)=52.5kN×18m=945kN.m=9642857㎏.cm

 

    5）滑輪組水平分力對(duì)火炬筒（桅桿）產(chǎn)生的彎矩。按最大起吊角12⁰考慮，取火炬筒（桅桿）吊點(diǎn)中部高度18m處，假設(shè)火炬筒（桅桿）已傾斜1⁰度時(shí)所產(chǎn)生的水平分力P_水及彎矩M_水

    P_水=2S₁COS(90⁰-12⁰-1⁰)COS60⁰- S₁COS(90⁰-12⁰+1⁰)

        =2×125563.8÷3×COS77⁰×COS60⁰-125563.8÷3COS79⁰

        =1429kg

   M_水=1429×18=25722kg.m=2572200kg.cm

 

    6）吊耳處產(chǎn)生的彎矩M_吊

    在三個(gè)吊耳處產(chǎn)生的彎矩，由于吊耳分布均勻，分別為120⁰度，所吊重量相等，從理論上講，三個(gè)吊耳產(chǎn)生的彎矩應(yīng)該是平衡的，但考慮到吊裝過程的復(fù)雜性和不可預(yù)見性；在校核火炬筒(桅桿)的穩(wěn)定性時(shí)，我們?nèi)孕鑼?duì)吊耳承載力對(duì)火炬筒(桅桿)產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行校核。

    M_吊=（82/2+20）×122819.9=7492014kg.cm

 

    為確保吊裝過程中火炬筒的穩(wěn)定性，我們對(duì)其進(jìn)行了加固，計(jì)算時(shí)按組合構(gòu)件對(duì)待。計(jì)算結(jié)果如下：

    組合構(gòu)件斷面慣性矩J=1816650.32cm⁴、截面積F=646.41cm²

    組合件回轉(zhuǎn)半徑i=53.01、組合件長細(xì)比λ=67.91、截面系數(shù)W=21730.23cm³     查資料折減系數(shù)取ψ=0.8

 

    7）火炬筒（桅桿）應(yīng)力

    考慮綜合載荷、火炬筒及加固件自重、火炬頭重量、纜風(fēng)拉力及重量、跑繩拉力等因素，計(jì)算得P=195790kg

    σ=P/ψF+（M_風(fēng)+M_水+ M_吊）/W

      =195790÷（0.8×646.41）+（9642857+2572200+7492014）÷21730.23

      =1285.5＜1550 kg/cm²

    經(jīng)過校核計(jì)算，火炬筒桅桿經(jīng)過加固后，實(shí)際載荷應(yīng)力為1285.5kg/cm²小于鋼材允許應(yīng)力1550kg/cm² ，能滿足要求。

    我單位在2006年9月24日順利完成了火炬塔的吊裝組對(duì)，取得了一次成功。

 

    5.1火炬筒（桅桿）吊裝火炬塔架是利用了火炬塔架和火炬筒上吊點(diǎn)和三個(gè)下吊點(diǎn)組成的立體三角型，使各受力及力矩相互抵消平衡，按照三角型穩(wěn)定性原則，考慮吊裝過程，故穩(wěn)定性校核可以36m吊點(diǎn)為活動(dòng)鉸支對(duì)待。

     

    5.2吊點(diǎn)的設(shè)置、布局一定要分布均勻，讓吊點(diǎn)處的作用力與反作用力能夠相互抵消、平衡。

     

    5.3起吊火炬架體的質(zhì)量分布，在三個(gè)下吊點(diǎn)處盡可能滿足均等分布。避免質(zhì)量偏差過大。產(chǎn)生不均等的水平分力，對(duì)火炬筒（桅桿）產(chǎn)生水平推力，造成火炬筒（桅桿）的彎曲。