李如軍

（陜西建工集團設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。火炬塔架為自立式高聳構筑物，采用鋼管結構，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）。火炬頭為定型產品，重2.8噸，高4米，火炬與火炬塔架安裝在某煉油廠山頂，施工場地受限。

 

    2.1現場制作安裝

    火炬筒與火炬塔架所用材料均運至施工現場制作安裝，在施工現場設預制場地和一定面積的工棚，鋪設構件放樣劃線用鋼平臺，對筒體、塔架進行分段預制。

 

    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的正裝方法難度較大，而倒裝法安全可靠，避免了高空作業。

 

    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米處時由汽車吊配合在高空完成組裝對接任務。

 

    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行，逐步升高，完成整個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繩與地錨固定，在火炬筒中下部位設活動管包箍，活動管包箍按120度均等分三段，分別包在火炬筒上用螺栓連接牢固，活動管包箍上分別焊接三個吊耳，吊耳中心線與三角形火炬塔架角中心線下吊點重合,吊耳作為火炬塔架吊裝的上吊點，吊裝角控制在12度以內。

 

    2.2.2三角形火炬塔架分段制作，分段組裝。先在工作平臺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欄桿同時焊接就位，在固定平臺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支點，下活動支點設在提升塔架段底部水平桿與火炬筒相交處，按120度布置設三點，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及平衡，在火炬塔架頂部設三根Ф17.5毫米鋼絲繩，作為塔架提升過程中的活動輔助纜風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，上吊點分別設在火炬筒三個吊耳處，三個下吊點分別設在三角形火炬塔架起吊段底部立柱角的橫梁上，吊點與角平分線重合。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過火炬筒底部基礎上設的三個10噸導向滑輪引至三臺5噸卷楊機牽引。當火炬塔架提升到適當高度后，再把需要組裝的下段放在基礎上并與上一段組裝焊接，依次進行將全部火炬塔架組裝完成。

 

    2.2.4火炬筒升高，利用火炬塔架三個角的主立管綁扎上吊點，下吊點將設在火炬筒體上的活動包箍吊耳移至火炬筒吊裝段的底部固定，變為下吊點，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獨立卷揚機完成提升，每個人的操作技能及三臺卷揚機的實際轉速等不可能達到完全一致，塔架提升過程中滑動支點不可能不與桅桿相擠碰，這樣就形成對桅桿產生的水平推力，最不利的情況是設在塔架底部的三個滑動支點，其中有2個同時頂著火炬筒（桅桿）。假設塔架向上提升時火炬筒（桅桿）已傾斜1度，此時二套滑輪組提升時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，這個力對火炬筒產生彎矩M_水。

 

    3.1.2風荷載對火炬筒產生的作用力

    火炬塔架吊裝段的頂部和底部分別設了兩處滑動支點，風荷載的力分別作用在上下兩處滑動支點上，塔架的迎風面為梯形狀，上支點的風荷載主要靠塔架頂部設的活動纜風繩平衡，下支點的風荷載按作用在火炬筒（桅桿）上考慮，這個力對火炬筒產生彎矩M_風。

 

    3.1.3吊耳對火炬筒產生的彎矩M_吊。

 

    3.1.4固定纜風繩的作用力

    火炬筒頂部均勻布設的6根纜風繩，主要是保證火炬筒在火炬塔架吊裝中承載能力的穩定性和鉛垂度，同時對火炬筒產生軸向壓力P₁。

 

    3.1.5活動纜風繩的作用力

    火炬塔架吊裝過程中，在塔架頂部設了三根活動纜風繩，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，同時抵抗風荷載防止塔架在提升過程中的傾斜。同時對炬筒（桅桿）產生軸向壓力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，這些重量同時作用在火炬筒上。P_3。

 

    3.2穩定性校核分析：

    利用桅桿吊裝，一般情況下在吊點處均設有固定纜風繩，在校核桅桿的穩定性時，此點可作為活動鉸支，但在利用火炬筒作為吊裝桅桿時，由于火炬塔架為格構式組成，起吊過程纜風繩影響塔架提升，在吊點36米處無法設置固定纜風繩，設置活動纜風繩操作不方便，且高空作業危險性較大。

 

    3.2.1吊點處絞支形式的探討：

    上吊點36米處分布均勻的設了三組滑輪組（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，每個角的內角均為60度,所設下吊點也是按等邊三角形布置,形成的火炬筒上吊點,三套滑輪組及下吊點,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量對稱相等，在這個受力立體三角形中，三個吊點的作用力與反作用力在上吊點O’處應該是平衡的。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，但作用于上吊點的立體三角形之間的受力關系不變，只要上吊點以上的火炬筒能保持穩定，此吊點處可以作為活動絞支對待，同時火炬筒（桅桿）的有效長度也可以按上吊點以下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，即24.9米以上塔架的提升，此時火炬筒纜風繩已提升至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繩對火炬塔架提升的影響），此時火炬筒（桅桿）整體受力情況是：上吊點36米以上部分只有6根纜風繩對火炬筒的作用力、火炬頭的重量、火炬筒自重和風荷載的附加力矩；而上吊點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纜風繩的作用力、火炬筒全部自重、火炬頭重量、6根固定纜風繩作用力和附加力矩M_風M_水M_吊等。顯然，上吊點36米以下火炬筒(桅桿)部分受力。最大最不穩定。受力最不穩定的位置按鋼管桅桿考慮應在上吊點以下中心及18米處。在上述的吊裝中只要火炬筒（桅桿）上吊點以下部分，穩定、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的吊裝成功，我們在36米吊點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。

 

    1) 荷載重量

    考慮塔架重、滑輪組重、綁繩重、塔架纜風繩重，及綁扎點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―動載荷系數取1.1          K₂―不均衡載荷系數取1.1

 

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

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

 

    3) 計算卷揚機跑繩拉力S₂滑輪組為H50×6D

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

 

    4)計算風荷載產生的彎矩M_風

    ①風荷載計算

     P=∑W_jF_i

    各高度段標準風壓值的確定，基本風壓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

    風振系數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

    取擋風系數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火炬塔架迎風面積和火炬筒（桅桿）迎風面積之和為F_i

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

    ③火炬筒（桅桿）承受的風載荷按兩個滑輪支架考慮每個承擔P_風/2風載。

    P_風=∑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

    每個滑動支架承擔的風載為105/2=52.5kN

    ④風荷載彎矩M_風，取火炬筒（桅桿）吊點中部高度18m處

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

 

    5）滑輪組水平分力對火炬筒（桅桿）產生的彎矩。按最大起吊角12⁰考慮，取火炬筒（桅桿）吊點中部高度18m處，假設火炬筒（桅桿）已傾斜1⁰度時所產生的水平分力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）吊耳處產生的彎矩M_吊

    在三個吊耳處產生的彎矩，由于吊耳分布均勻，分別為120⁰度，所吊重量相等，從理論上講，三個吊耳產生的彎矩應該是平衡的，但考慮到吊裝過程的復雜性和不可預見性；在校核火炬筒(桅桿)的穩定性時，我們仍需對吊耳承載力對火炬筒(桅桿)產生的彎矩進行校核。

 

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

    為確保吊裝過程中火炬筒的穩定性，我們對其進行了加固，計算時按組合構件對待。計算結果如下：

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

    組合件回轉半徑i=53.01、組合件長細比λ=67.91、截面系數W=21730.23cm³

    查資料折減系數取ψ=0.8

 

    7）火炬筒（桅桿）應力

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

    σ=P/ψF+（M_風+M_水+ M_吊）/W

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

      =1285.5＜1550 kg/cm²

    經過校核計算，火炬筒桅桿經過加固后，實際載荷應力為1285.5kg/cm²小于鋼材允許應力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，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和三個下吊點組成的立體三角型，使各受力及力矩相互抵消平衡，按照三角型穩定性原則，考慮吊裝過程，故穩定性校核可以36m吊點為活動鉸支對待。

 

    5.2吊點的設置、布局一定要分布均勻，讓吊點處的作用力與反作用力能夠相互抵消、平衡。

 

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