高 亮 王 超

中國天辰工程有限公司 天津 300400

兗州煤業(yè)榆林能化有限公司50 萬t/ a 聚甲氧基二甲醚項(xiàng)目氣化裝置共設(shè)置3 臺(tái)氣化爐、2 臺(tái)全激冷氣化爐和1 臺(tái)多噴嘴對(duì)置式半廢鍋水煤漿氣化爐。其中多噴嘴對(duì)置式半廢鍋水煤漿氣化爐是一種新型的結(jié)構(gòu)型式，作為世界首臺(tái)應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)和生產(chǎn)創(chuàng)效的半廢鍋氣化爐，具有工業(yè)示范意義。考慮到氣化爐吊裝后的工程建設(shè)，氣化框架采用砼框架和鋼結(jié)構(gòu)框架相結(jié)合的型式。

半廢鍋氣化爐就位標(biāo)高49.2m，在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，考慮場(chǎng)地受限等諸多不利因素，尤其是本項(xiàng)目第一階段2臺(tái)激冷氣化爐已成功投運(yùn)，若采用傳統(tǒng)的施工工藝，將與已投運(yùn)系統(tǒng)深度交叉作業(yè)。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)框架吊裝屬于超高作業(yè)，存在極大安全隱患的同時(shí)還不利于項(xiàng)目的進(jìn)度、質(zhì)量把控。為加快項(xiàng)目的進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，減少高空作業(yè)，降低施工過程的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)借助3200t 履帶吊車在現(xiàn)場(chǎng)吊裝氣化爐的有利條件，現(xiàn)場(chǎng)施工管理組決定氣化框架的上部鋼結(jié)構(gòu)采用模塊化預(yù)制和安裝。

為確保該結(jié)構(gòu)施工的安全性及進(jìn)度，綜合考慮后決定應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)模塊化安裝施工工藝。在施工中，為確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備吊裝及框架結(jié)構(gòu)吊裝順利，將鋼結(jié)構(gòu)框架劃分為上下兩部分，在地面進(jìn)行框剪單元模塊組裝，組裝完成后進(jìn)行交錯(cuò)吊裝，完成結(jié)構(gòu)框架施工。

1 設(shè)計(jì)、施工優(yōu)化

考慮到項(xiàng)目施工場(chǎng)地狹小，半廢鍋氣化爐的交付時(shí)間滯后，且系統(tǒng)施工時(shí)全激冷氣化爐系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)施工管理組提前對(duì)3200t 吊車的占位、行走、大臂起桿爬桿和設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)擺放位置進(jìn)行了詳細(xì)、全面的策劃，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)，最終提出如下建議：

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

氣化框架南側(cè)的管廊，最初圖紙上顯示為東西貫通的用于聯(lián)通煤漿給料的管道、電氣儀表橋架、電纜等。經(jīng)過施工管理組在現(xiàn)場(chǎng)的反復(fù)確認(rèn)，并會(huì)同大件吊裝公司多次研究后，確定該管廊位置會(huì)影響吊車占位及設(shè)備擺放。若按原設(shè)計(jì)執(zhí)行，則需將此部分場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)留。但煤漿給料作為氣化裝置生產(chǎn)流程中的重要一環(huán)，起到承接煤漿制備和氣化框架的重要作用，若不能投入運(yùn)行，將對(duì)氣化裝置一系列激冷流程的投運(yùn)造成影響。

經(jīng)過和項(xiàng)目部、設(shè)計(jì)部室的多次溝通，最終確定由設(shè)計(jì)部室對(duì)管廊進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，最終更改了管廊位置，將原本貫通的管廊分段設(shè)計(jì)，解決了吊裝占位及設(shè)備擺放問題。具體調(diào)整方案如圖1 所示。

圖1 管廊位置調(diào)整前（a）后（b）對(duì)比圖

1.2 施工預(yù)留

施工管理組同大件吊裝公司確定3200t 履帶吊超起回轉(zhuǎn)半徑為32m，吊車行走路線及超起回轉(zhuǎn)半徑區(qū)域地面以上不得有影響作業(yè)的障礙物?？紤]到第3 臺(tái)氣化爐的到場(chǎng)時(shí)間及第一系列2 臺(tái)全激冷氣化爐的投料時(shí)間，經(jīng)與業(yè)主、監(jiān)理、大件吊裝公司和鋼結(jié)構(gòu)安裝單位多次研究論證，決定將氣化框架西南側(cè)的磨煤排放池上部框架進(jìn)行預(yù)留，僅對(duì)地下水池部分進(jìn)行施工，煤漿給料單元及氣化框架第一系列氣化爐的排放、沖洗、泄漏等都轉(zhuǎn)送到業(yè)主一期的磨煤排放池中（本項(xiàng)目為擴(kuò)建項(xiàng)目，一期已投用）。并對(duì)磨煤排放池及其外圍區(qū)域進(jìn)行如下處理：

（1）3200t 履帶吊站位于磨煤池處，池底用沙土進(jìn)行回填，距地面1500mm 之間用3∶7 灰土進(jìn)行分層回填夯實(shí)，每層厚度不大于300mm，總厚度需超過池壁高度。

（2）對(duì)于磨煤排放池以外的3200t 履帶吊站位區(qū)域，一般情況下，將原沙土地面下挖700mm，先對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行原土夯實(shí)及水墜處理；然后采用3∶7 灰土分層回填夯實(shí)，每層厚度不大于300mm，總厚度1000mm；最后面層鋪設(shè)厚度100mm、粒徑為50mm 的碎石，機(jī)械壓平壓實(shí)。要求接地比壓不小于0.25MPa。

1.3 吊裝簡(jiǎn)介

氣化框架砼框架共9 層，高56m；鋼結(jié)構(gòu)框架共4 層，位于砼框架屋面上，高度24m，總高度80m。鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸26m×25.2m，框架總重量532t。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊裝重量，每兩層作為一個(gè)模塊，共計(jì)兩個(gè)模塊，下段重292t，上段重397t。

為了充分利用3200t 吊車的起重能力，并減少后續(xù)設(shè)備、管道安裝高空作業(yè)的難度，在鋼結(jié)構(gòu)模塊化拼裝執(zhí)行過程中，不斷優(yōu)化方案，加大了鋼結(jié)構(gòu)在地面上組裝深度，框架上附屬的管道、設(shè)備、彩板維護(hù)、涂漆防腐等工作一同在地面上完成。

2 施工重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 場(chǎng)地條件

由于鋼結(jié)構(gòu)模塊施工時(shí)占用現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)范圍廣，而且大型吊機(jī)3200t 進(jìn)場(chǎng)拼裝及就位要占用道路。而現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地很狹小，需要做好整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊吊裝施工的場(chǎng)地布局工作，其設(shè)計(jì)方案要精確測(cè)量及放線，才能確保拼裝位置及吊裝位置不互相妨礙。

2.2 吊裝協(xié)調(diào)工作

氣化框架頂層鋼結(jié)構(gòu)模塊的吊裝需要與鎖渣斗、氣化爐、廢鍋汽包和電梯機(jī)頭的吊裝作業(yè)交叉實(shí)施，施工節(jié)拍緊湊，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作需嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)。具體吊裝按照?qǐng)D2 進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行。

圖2 氣化爐及其附帶設(shè)備吊裝進(jìn)度計(jì)劃

2.3 吊裝重心控制

受風(fēng)力、本身重心偏移等因素影響，給鋼結(jié)構(gòu)模塊的對(duì)接就位帶來很大難度，需要設(shè)置專項(xiàng)吊裝工藝及輔助工裝件幫助完成。同時(shí)，若重心選取不當(dāng)，還會(huì)產(chǎn)生擠壓力造成鋼結(jié)構(gòu)局部形變。模塊內(nèi)包含了工字鋼、輕型設(shè)備、樓梯和管道等。模塊的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)表

根據(jù)構(gòu)件布置圖、軸架立面布置圖、設(shè)備布置圖、管道布置圖和樓梯布置圖等詳細(xì)圖紙，可得到鋼結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)各部件的規(guī)格、位置、重量，結(jié)合力學(xué)計(jì)算公式[式（1）]可得到表格《氣化框架上部鋼結(jié)構(gòu)模塊重心計(jì)算- x 方向》、《氣化框架上部鋼結(jié)構(gòu)模塊重心計(jì)算- y 方向》。

式中：Gx——模塊內(nèi)各部件的重量；

Lx——模塊內(nèi)各部件重心與參考線的距離；

G′——模塊內(nèi)各部件總的重量；

L′——模塊重心位置。

計(jì)算x 方向的重心時(shí)，以鋼結(jié)構(gòu)模塊的“5 軸”中心線作為重心計(jì)算參考線，各部件重心與“5 軸”中心線的距離為Lx的數(shù)值。計(jì)算y 方向的重心時(shí)，以鋼結(jié)構(gòu)模塊的“B軸”中心線作為重心計(jì)算參考線，各部件重心與“B 軸”中心線的距離為Ly的數(shù)值。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)模塊吊耳設(shè)置

在確定鋼結(jié)構(gòu)吊裝重心后，吊耳的承載力計(jì)算、位置選取和數(shù)量選擇對(duì)整體吊裝的穩(wěn)定性極為重要。

吊耳材料選用Q345C，其抗拉強(qiáng)度（бb）為470MPa，屈服極限（бs）為325MPa，安全系數(shù)（n）取1.34。則許用拉應(yīng)力[б]=бs/ n=325/ 1.34=242.5MPa。

δ＜16～35mm 時(shí)，采用自動(dòng)焊、半自動(dòng)焊和E50 型焊條的手工焊，對(duì)接焊縫，抗拉強(qiáng)度[f]=190MPa。2.4.1 下段吊耳應(yīng)力計(jì)算

下段模塊總重300t，吊耳設(shè)計(jì)1.5 倍安全系數(shù)，共12個(gè)吊點(diǎn)，單個(gè)吊耳吊重為300×1.5/ 12=37.5t。吊耳1、吊耳2 耳板厚δ=35mm，耳板焊縫長L=500mm，外徑R=250mm，內(nèi)徑r=60mm。

吊耳受力夾角a=60°，即F1sina=37.5t，則載荷F1=37.5/ sina=43.35t。因此，校核時(shí)按名義載荷43.35t進(jìn)行校核計(jì)算，以下對(duì)吊耳1、吊耳2 進(jìn)行受力分析。

吊耳焊縫拉應(yīng)力：

f1=F1/（Lδ）=43.35×103×10N/（500×35）mm2

=24.77N/ mm2=24.77MPa＜[f]=190MPa；

吊耳拉應(yīng)力：

б1=F1/ [（L- 2r）δ]=43.35×103×10N/ [（500- 120）×35]mm2=32.59N/ mm2=32.59MPa＜[б]=242.5MPa。

因此，吊耳安全。

2.4.2 上段吊耳應(yīng)力計(jì)算

上段模塊總重400t，吊耳設(shè)計(jì)1.5 倍安全系數(shù)，共12個(gè)吊點(diǎn)，單個(gè)吊耳吊重為400×1.5/ 12=50t。吊耳1 耳板厚δ=35mm，焊縫長L=500mm，外徑R=250mm，內(nèi)徑r=60mm；吊耳3 耳板厚δ=35mm，耳板焊縫長L=700mm，外徑R=365mm，內(nèi)徑r=60mm。

吊耳受力夾角a=60°，即F2sina=50t，則載荷F2=75/ sina=57.8t。因此，校核時(shí)按名義載荷57.8t 進(jìn)行校核計(jì)算。

吊耳1 焊縫拉應(yīng)力：f2=F2/ （Lδ）=57.8×103×10N/（500×35）mm2=33N/ mm2=33MPa＜[f]=190MPa；

吊耳1 拉應(yīng)力：

б2=F2/ [（L- 2r）δ]=57.8×103×10N/ [（500- 120）×35]mm2=43.45N/ mm2=43.45MPa＜[б]=242.5MPa。

因此，吊耳1 安全。

吊耳3 焊縫拉應(yīng)力：F3=F2/（Lδ）=57.8×103×10N/（700×35）mm2=23.6N/ mm2=23.6MPa＜[f]=190MPa；

吊耳3 拉應(yīng)力：б3=F2/ [（L- 2r）δ]=57.8×103×10N/ [（700- 120）×35]mm2=28.47N/ mm2=28.47MPa ＜[б]=242.5MPa。因此，吊耳3 安全。

所有吊耳材質(zhì)均為Q345C，開雙面55°坡口，采用對(duì)接焊接型式。吊耳與相鄰橫梁、立柱之間均采用對(duì)接焊縫焊接，要求無夾渣、氣孔等缺陷；立柱和橫梁受力部位加筋肋板，采用角焊縫焊接，焊角高度不小于最薄件厚度，焊條均為J507。焊接完成后，對(duì)所有焊縫須進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)，以Ⅰ級(jí)為合格。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初是按照鋼結(jié)構(gòu)組裝考慮的，鋼結(jié)構(gòu)柱坐落在砼框架上，因此僅承受上部外力及附屬管道、設(shè)備的重量。但在模塊化整體吊裝過程中，有如下受力：

（1）不僅要受到上部鋼結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備所帶來的重力，還要承受自身的重力。

（2）因?yàn)榈醵脑O(shè)置，鋼絲繩作用在吊耳處所產(chǎn)生的反作用力，不僅有豎直力，而且還有水平力。水平力相互作用可以抵消一部分，但是仍有部分水平力對(duì)鋼梁會(huì)產(chǎn)生額外的壓力。

（3）鋼結(jié)構(gòu)在整體起吊過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的加速度。根據(jù)牛頓力學(xué)原理，加速度也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成額外的豎直力。

基于以上考慮，吊裝前需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定性核算，以確保吊裝過程的安裝可靠。

施工管理組通過仔細(xì)研究圖紙，查閱相關(guān)圖集，最終確定柱、梁及柱梁節(jié)點(diǎn)的剪力及彎矩的受力極限。與柱、梁及柱梁節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行比較后，確認(rèn)安全合格。在施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)專工也加強(qiáng)了對(duì)柱梁節(jié)點(diǎn)螺栓、焊接的質(zhì)量檢查，從理論和實(shí)際兩方面保證模塊化整體吊裝的安全性。

2.6 鋼結(jié)構(gòu)柱腳組對(duì)安裝

鋼結(jié)構(gòu)上段、下段組對(duì)是鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝的重要一環(huán)，尤其對(duì)上、下段在地面拼裝測(cè)量的精度要求極高。在地面拼裝過程中，施工管理部積極組織安裝單位進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)每根柱子的安裝位置進(jìn)行測(cè)量，確保柱腳位置在合理范圍內(nèi)。然而在實(shí)際吊裝過程中，受到鋼絲繩拉力、框架重力等影響，會(huì)使框架柱的位置發(fā)生偏移。對(duì)于偏移的柱腳，施工管理部與安裝單位充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)的主觀能動(dòng)性與現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)制作頂偏裝置的方式，確保了上下段鋼結(jié)構(gòu)的最終順利組對(duì)。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

模塊化安裝高聳鋼結(jié)構(gòu)不僅是一種施工方法，而且是一種先進(jìn)的施工理念，是從施工的角度不斷向上游的設(shè)計(jì)及采購延伸。在設(shè)計(jì)階段即建議在框架柱連接處采取高強(qiáng)螺栓的連接方式（腹板采用補(bǔ)強(qiáng)板及高強(qiáng)螺栓連接，翼緣采用焊接并要求二級(jí)焊縫），以減少分段對(duì)接時(shí)的作業(yè)量；在物資供應(yīng)方面，按照安裝順序及時(shí)催交相關(guān)設(shè)備和管道，保證鋼構(gòu)自下而上安裝的流水作業(yè)。這種安裝方式也體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的施工管理與協(xié)調(diào)水平。

鋼框架模塊化不僅體量大、重量重，而且由于有設(shè)備及管線的偏心受力存在，在計(jì)算時(shí)需關(guān)注吊裝重心，特別對(duì)偏心較大的要采取相應(yīng)措施（如臨時(shí)增加鋼梁調(diào)整重心）以保證吊裝安全。

鋼結(jié)構(gòu)模塊化施工需要因地制宜，如果強(qiáng)行進(jìn)行模塊化施工反而會(huì)適得其反。模塊化安裝需要具備如下條件：

（1）鋼結(jié)構(gòu)模塊化施工適用于工期緊、任務(wù)重的項(xiàng)目，同時(shí)該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)安裝高度大于50m 及以上，具備模塊化拼裝場(chǎng)地及大吊車的使用資源，可采用模塊化安裝，以便于費(fèi)用、進(jìn)度、質(zhì)量和安裝等協(xié)調(diào)管理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制拼裝的鋼結(jié)構(gòu)模塊宜控制在2—3 層，或每個(gè)模塊的高度控制在20～30m。鋼結(jié)構(gòu)模塊太低就失去了模塊化施工的意義；太高則加大了吊裝風(fēng)險(xiǎn)，而且因受到較大壓力，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊本身易造成損傷。

（3）前期進(jìn)行精細(xì)化策劃，將可以安裝的設(shè)備、管道、電氣儀表橋架、防腐等工作，在地面上鋼結(jié)構(gòu)模塊化施工的同時(shí)進(jìn)行施工，可減少后續(xù)倒料、安裝的高空風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

在當(dāng)前日益講求安全、高效的工程建設(shè)背景下，模塊化制造安裝作為一種新興的施工方法，成為大型項(xiàng)目的一種有效執(zhí)行方式。本項(xiàng)目模塊化作業(yè)的成功實(shí)施，作為天辰公司采用模塊化安裝的一次探索和嘗試，為后續(xù)類似項(xiàng)目的實(shí)施提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。