塔架分段吊裝可靠性分析

李 籍

中國石油物資有限公司西安分公司，陜西西安710000

蘭州石化公司1.5×104t/a 硫磺回收裝置環(huán)保升級達標改造工程的煙囪塔架總高82 m，質(zhì)量約78 t，呈三棱錐體結(jié)構(gòu)，共計7 個操作平臺。主肢為20 無縫鋼管，最大規(guī)格為φ351 mm× 16 mm，最小規(guī)格為φ180 mm× 12 mm，底部跨距13 m，頂部跨距4.8 m。施工現(xiàn)場區(qū)域狹小不具備整體制作和吊裝條件，因此確定采用現(xiàn)場分段預(yù)制（臥式）、逐段吊裝的施工方法[1]。塔架作為空間結(jié)構(gòu)體，吊裝時拼裝單元桿件的承載能力、穩(wěn)定性將直接影響到高空組對精度，甚至吊裝安全。為驗證施工方法的可靠性，對塔架結(jié)構(gòu)進行了強度校核，對不滿足強度條件的單元在吊裝前采取加固措施。

1 分段方案及吊裝結(jié)構(gòu)分析

1.1 分段方案

為方便塔架組對焊接，塔架分段設(shè)置在平臺位置，再根據(jù)現(xiàn)場吊車站位和分段塔架的長度、重量，將整個煙囪塔架分4 段安裝，見表1、圖1。

根據(jù)圖紙中主肢變徑過渡段的設(shè)計，分段處分別位于17、37、67 m 平臺以上2 m，即標高分別為▽19.000、▽39.000、▽69.000（單位m），分段數(shù)據(jù)見表1。第一段塔架截面尺寸較大，在地面進行組裝后單獨吊裝；上部3 段塔架則與煙囪筒節(jié)組合成整體吊裝，煙囪筒節(jié)的找正組對可依托塔架進行。

表1 煙囪、塔架分段質(zhì)量

圖1 塔架分段和詳細結(jié)構(gòu)

在吊裝時如果構(gòu)件承載過大，導(dǎo)致塑性變形，將增大高空矯正的難度，影響組對精度，嚴重時甚至出現(xiàn)斷裂破壞，極大地增加安全風(fēng)險。因此，吊裝前必須對塔架進行受力分析。

1.2 吊裝結(jié)構(gòu)分析

塔架吊裝如圖2 所示，采用一臺主吊機（吊車選用見表1） 均勻緩慢提升，另一臺100 t 吊車做溜尾配合。塔架分段位置在平臺以上2 m 處，每段吊裝時，根據(jù)作用力位置和特點，分段平臺以下的部分可看作具有空間剛度和穩(wěn)定性的整體；對于平臺以上的部分，鋼絲繩的斜拉力直接作用于長為2 m 的主肢鋼管上，見圖2（b） 中AA′段。AA′段主肢作為對接處直接承受吊裝載荷的桿件，其位于平臺上沿A′位置的截面所受的彎曲應(yīng)力最大，所以選取該處截面強度作為重點校核對象。

圖2 塔架吊裝示意

塔架的吊裝受力可分成兩個階段，一是塔架從其水平臥式一面位置開始吊裝至某一傾斜角度，此時鋼絲繩只對兩根主肢（直梁） 產(chǎn)生拉彎組合的作用力；二是塔架由此傾斜位置至豎直狀態(tài)的階段，此時3 根主肢的受力為拉彎組合。因此，對主肢進行的組合強度校核將分為兩步進行，以驗證其是否滿足強度條件。

2 強度校核

2.1 兩根主肢受力階段強度校核

如圖3 所示，塔架一面A2A1B1B2由水平位置逐步吊裝移至中軸與豎直方向成角θ臨的位置，對該過程中位于A′位置的截面作理論受力分析[2]。

圖3 塔架吊裝力學(xué)模型

設(shè)塔架中心軸與豎直方向夾角為θ，面A2A1B1B2與水平面夾角為β，中心軸與面A2A1B1B2的夾角為α，F(xiàn)豎為鋼絲繩拉力F1在豎直方向上的分量。角度均以弧度（rad） 表示，則有：

根據(jù)三角形邊長關(guān)系可計算得到F1。

用截面法，以截面m-n 沿平臺面位置將主肢截成兩部分，截面受力和主吊裝載荷F1空間分解示意分別如圖4、5 所示。m-n 截面的內(nèi)力可看作拉伸和彎曲兩種基本變形的疊加，在m-n 截面上，軸力N 在截面積A 上產(chǎn)生均勻分布的拉應(yīng)力為：

σN=N/A

對于外圓直徑為D，內(nèi)圓直徑為d 的空心圓形截面：

彎矩M 引起的彎曲正應(yīng)力為：

σW=M/Wz≈F法×|A2A3|/Wz=2F法/Wz式中：F法為桿件端部（吊點） 所受到的法向力；抗彎截面模量Wz= πD3（1 - α4） /32，其中α =d/D[3]。

截面上的m 點的拉應(yīng)力最大，n 點的壓應(yīng)力最大，均為單向應(yīng)力狀態(tài)。疊加以上兩種應(yīng)力以后，在截面外側(cè)m 點最大拉應(yīng)力σm= σN+ σwL（σwL為彎曲拉應(yīng)力）；在截面內(nèi)側(cè)n 點最大壓應(yīng)力σn=|σN+σwy|（σwy為彎曲壓應(yīng)力）。因為σwy=-σwL，與σN反方向，所以σm＞σn，因此最后只需校核強度條件σm≤[σ]，即工作應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力即可。

最后根據(jù)三角形余弦定理，來討論兩肢受力的區(qū)間，如圖6 所示。從以上分析可得式（4） 和式（5）：

圖4 截面受力分析示意

圖5 主吊裝載荷F1 空間分解示意

圖6 兩肢受力臨界位置示意

2.2 兩根主肢受力校核結(jié)果

依照上述分析，代入數(shù)值計算各段強度的表達式，見表2。

第四段的吊點位于標高82.000 m 平臺處，截面主要承受拉應(yīng)力，而且其重力小，經(jīng)拉應(yīng)力核算滿足強度條件。從前三段截面強度表達式看出，σm是關(guān)于θ 角的函數(shù)。利用Graph 軟件，做出曲線圖，并經(jīng)求導(dǎo)，當導(dǎo)函數(shù)為零時σm取得最大值，如圖7 所示。第一段：當θ=1.254 rad 時，σmmax=97.248 4 MPa＜[σ] = 130 MPa[4]；第二段：當θ =1.321 9 rad 時，σmmax=168.620 1 MPa＞[σ]；第三段：當θ=1.367 9 rad 時，σmmax=825.385 1 MPa＞[σ]。

從以上計算結(jié)果得知，第二段和第三段不滿足強度條件，第三段最大應(yīng)力甚至大于抗拉強度，有斷裂的危險；而對第一段，還需進行三肢受力階段的分析，以確定是否滿足強度條件。

2.3 三根主肢受力階段的強度分析

當?shù)谝欢稳芰r，暫且忽略第三根主肢承載力，作出兩肢受力情形下σm位于區(qū)間[0，0.14]上的曲線，σm取值僅為40.338 ～42.954 MPa。當?shù)谌_始分擔(dān)部分拉力時，先前受力的兩肢σm只會越來越小，第三肢組合拉應(yīng)力越來越大，最終達到平衡，三肢應(yīng)力值一致。

表2 過程計算中的主要取值和σm 表達式

圖7 Graph 軟件生成的σm 函數(shù)曲線

綜上，對第一段吊裝全過程來說，σmmax＜[σ]，可直接吊裝；而第二段和第三段則需要采取加固措施，以提高抗彎曲強度（在Graph 曲線圖中單獨做σN曲線發(fā)現(xiàn)，σN對總應(yīng)力值的貢獻很小）。

3 加固措施及實施效果

在實踐中提高梁的彎曲強度主要從以下幾點考慮：改進梁的受力情況，減小梁中的最大彎矩Mmax值；減小梁的跨度或增加支撐約束，改變支座位置等。首先從塔架結(jié)構(gòu)上看，如果僅對兩肢做支撐加固，承力點不易選取，穩(wěn)固性上不如三角支撐；其次，從施工便利性上來講，在塔架本體上焊接加強筋，既影響美觀，也增加拆除打磨工作量；最后，還要考慮加固材料自身剛度。綜合以上幾點因素，最終采用將φ219 mm×13 mm 的無縫鋼管作主要支撐件的三角加固方式[5]，承力點位于主肢上，與塔架主肢連接的位置使用抱箍，方便拆卸。抱箍是采用與主肢同管徑的鋼管經(jīng)剖切并焊接耳板而制作成的，見圖8。

暫將支撐位置設(shè)置在靠近主吊點300 mm 處，并復(fù)核該位置截面的彎曲強度。第二段σmmax=27.058 MPa，第三段σmmax=126.89 MPa，滿足強度要求。吊裝完成后對每段截面尺寸進行復(fù)核：第一段上截面尺寸偏差Δa3max=5 mm；第二段上截面尺寸偏差Δa3max=7 mm；第三段上截面尺寸偏差Δa3max= 4 mm。

圖8 塔架主肢加固示意

最后在上下兩段組對時，將焊接于鋼管內(nèi)部的吊耳作為定位板調(diào)節(jié)組對間隙、坡口，確保了最大錯邊量控制在3 mm 以內(nèi)，保證了組對精度。

4 結(jié)束語

通過提前對塔架吊裝單元進行強度校核，確定了加固措施，消除了吊裝時存在斷裂破壞的風(fēng)險，同時很好地控制了截面尺寸偏差和錯邊量，保證了上下段組對精度，避免高空矯正處理，最終提高了安裝質(zhì)量和效率。此次塔架強度校核的成功應(yīng)用，可為今后類似工程、鋼結(jié)構(gòu)空間體和薄壁塔器等細長桿件的吊裝提供借鑒，通過強度校核分析變形或失穩(wěn)的原因，而后采取加固或者其他措施，從而提高安裝精度并保證作業(yè)安全。