李 籍
中國(guó)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(jí)達(dá)標(biāo)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(jì)7 個(gè)操作平臺(tái)。主肢為20 無(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(duì)精度,甚至吊裝安全。為驗(yàn)證施工方法的可靠性,對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核,對(duì)不滿足強(qiáng)度條件的單元在吊裝前采取加固措施。
為方便塔架組對(duì)焊接,塔架分段設(shè)置在平臺(tái)位置,再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊車站位和分段塔架的長(zhǎng)度、重量,將整個(gè)煙囪塔架分4 段安裝,見(jiàn)表1、圖1。
根據(jù)圖紙中主肢變徑過(guò)渡段的設(shè)計(jì),分段處分別位于17、37、67 m 平臺(tái)以上2 m,即標(biāo)高分別為▽19.000、▽39.000、▽69.000(單位m),分段數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。第一段塔架截面尺寸較大,在地面進(jìn)行組裝后單獨(dú)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(duì)可依托塔架進(jìn)行。
表1 煙囪、塔架分段質(zhì)量
圖1 塔架分段和詳細(xì)結(jié)構(gòu)
在吊裝時(shí)如果構(gòu)件承載過(guò)大,導(dǎo)致塑性變形,將增大高空矯正的難度,影響組對(duì)精度,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)斷裂破壞,極大地增加安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,吊裝前必須對(duì)塔架進(jìn)行受力分析。
塔架吊裝如圖2 所示,采用一臺(tái)主吊機(jī)(吊車選用見(jiàn)表1) 均勻緩慢提升,另一臺(tái)100 t 吊車做溜尾配合。塔架分段位置在平臺(tái)以上2 m 處,每段吊裝時(shí),根據(jù)作用力位置和特點(diǎn),分段平臺(tái)以下的部分可看作具有空間剛度和穩(wěn)定性的整體;對(duì)于平臺(tái)以上的部分,鋼絲繩的斜拉力直接作用于長(zhǎng)為2 m 的主肢鋼管上,見(jiàn)圖2(b) 中AA′段。AA′段主肢作為對(duì)接處直接承受吊裝載荷的桿件,其位于平臺(tái)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(qiáng)度作為重點(diǎn)校核對(duì)象。
圖2 塔架吊裝示意
塔架的吊裝受力可分成兩個(gè)階段,一是塔架從其水平臥式一面位置開(kāi)始吊裝至某一傾斜角度,此時(shí)鋼絲繩只對(duì)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(shí)3 根主肢的受力為拉彎組合。因此,對(duì)主肢進(jìn)行的組合強(qiáng)度校核將分為兩步進(jìn)行,以驗(yàn)證其是否滿足強(qiáng)度條件。
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(duì)該過(guò)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(zhǎng)關(guān)系可計(jì)算得到F1。
用截面法,以截面m-n 沿平臺(tái)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(duì)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(diǎn)) 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(diǎn)的拉應(yīng)力最大,n 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)最大壓應(yīng)力σn=|σN+σwy|(σwy為彎曲壓應(yīng)力)。因?yàn)棣襴y=-σwL,與σN反方向,所以σm>σn,因此最后只需校核強(qiáng)度條件σm≤[σ],即工作應(yīng)力不超過(guò)材料的許用應(yīng)力即可。
最后根據(jù)三角形余弦定理,來(lái)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
依照上述分析,代入數(shù)值計(jì)算各段強(qiáng)度的表達(dá)式,見(jiàn)表2。
第四段的吊點(diǎn)位于標(biāo)高82.000 m 平臺(tái)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(qiáng)度條件。從前三段截面強(qiáng)度表達(dá)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(dāng)導(dǎo)函數(shù)為零時(shí)σm取得最大值,如圖7 所示。第一段:當(dāng)θ=1.254 rad 時(shí),σmmax=97.248 4 MPa<[σ] = 130 MPa[4];第二段:當(dāng)θ =1.321 9 rad 時(shí),σmmax=168.620 1 MPa>[σ];第三段:當(dāng)θ=1.367 9 rad 時(shí),σmmax=825.385 1 MPa>[σ]。
從以上計(jì)算結(jié)果得知,第二段和第三段不滿足強(qiáng)度條件,第三段最大應(yīng)力甚至大于抗拉強(qiáng)度,有斷裂的危險(xiǎn);而對(duì)第一段,還需進(jìn)行三肢受力階段的分析,以確定是否滿足強(qiáng)度條件。
當(dāng)?shù)谝欢稳芰r(shí),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(dāng)?shù)谌_(kāi)始分擔(dān)部分拉力時(shí),先前受力的兩肢σm只會(huì)越來(lái)越小,第三肢組合拉應(yīng)力越來(lái)越大,最終達(dá)到平衡,三肢應(yīng)力值一致。
表2 過(guò)程計(jì)算中的主要取值和σm 表達(dá)式
圖7 Graph 軟件生成的σm 函數(shù)曲線
綜上,對(duì)第一段吊裝全過(guò)程來(lái)說(shuō),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(qiáng)度(在Graph 曲線圖中單獨(dú)做σN曲線發(fā)現(xiàn),σN對(duì)總應(yīng)力值的貢獻(xiàn)很?。?。
在實(shí)踐中提高梁的彎曲強(qiáng)度主要從以下幾點(diǎn)考慮:改進(jìn)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(duì)兩肢做支撐加固,承力點(diǎn)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(lái)講,在塔架本體上焊接加強(qiáng)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(diǎn)因素,最終采用將φ219 mm×13 mm 的無(wú)縫鋼管作主要支撐件的三角加固方式[5],承力點(diǎn)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(jiàn)圖8。
暫將支撐位置設(shè)置在靠近主吊點(diǎn)300 mm 處,并復(fù)核該位置截面的彎曲強(qiáng)度。第二段σmmax=27.058 MPa,第三段σmmax=126.89 MPa,滿足強(qiáng)度要求。吊裝完成后對(duì)每段截面尺寸進(jìn)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(duì)時(shí),將焊接于鋼管內(nèi)部的吊耳作為定位板調(diào)節(jié)組對(duì)間隙、坡口,確保了最大錯(cuò)邊量控制在3 mm 以內(nèi),保證了組對(duì)精度。
通過(guò)提前對(duì)塔架吊裝單元進(jìn)行強(qiáng)度校核,確定了加固措施,消除了吊裝時(shí)存在斷裂破壞的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)很好地控制了截面尺寸偏差和錯(cuò)邊量,保證了上下段組對(duì)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(qiáng)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(xì)長(zhǎng)桿件的吊裝提供借鑒,通過(guò)強(qiáng)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。