造船廠龍門吊提升支架設(shè)計(jì)與探討

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都　610041）

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造船廠龍門吊提升支架設(shè)計(jì)與探討

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全
（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610041）

摘要：該文結(jié)合某造船廠龍門吊提升支架的設(shè)計(jì)，對(duì)索-桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步探討，主要從設(shè)計(jì)思路、分析方法和安裝施工三方面闡述，提升支架設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：龍門吊提升支架；標(biāo)準(zhǔn)化；幾何非線性；索-桁架結(jié)構(gòu)

Abstract:Based on the design of lifting stand for a shipyard gantry crane, the paper briefly discusses the design method for cable-truss structure, dwelling on the reasonability of the design from the three aspects of design idea, analysis method and installation construction.

Keywords:gantry crane lifting stand; standardization; geometric nonlinear; cable-truss structure

0　引言

龍門吊是船廠起吊貨物所必需的生產(chǎn)設(shè)備，然而，普通龍門吊的大梁和支腿往往重達(dá)數(shù)千噸，體形也非常龐大，并且龍門吊往往要提升到上百米的高度，若用一般的起重機(jī)械，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且還非常的不安全。為了解決這個(gè)問題，就必須根據(jù)實(shí)際情況和工程需求合理設(shè)計(jì)龍門吊提升和安裝用的大型龍門吊提升支架。2001年上海某造船廠龍門吊安裝的倒塌事件進(jìn)一步告訴我們，提出一套合理的大型提升支架設(shè)計(jì)方法勢(shì)在必行。

龍門吊提升支架的結(jié)構(gòu)體系由兩榀門式提升支架及張拉其上的12根纜風(fēng)繩構(gòu)成，12根纜風(fēng)繩和兩榀門架組成一個(gè)整體共同承受工作狀態(tài)下的水平和豎向荷載，結(jié)構(gòu)體系的立面布置詳見圖1。塔架總高度123.4m，塔架跨度20m，兩副門架相距100m。門式提升支架的柱子為四邊形格構(gòu)式綴條柱，柱腳中心距4.2×4.2m，4個(gè)柱肢各自與地面鉸接，使柱整體與地面形成剛接；提升大梁為箱形管，高3.4m，梁與柱連接方式為鉸接。

圖1　提升支架立面圖

龍門吊大梁是提升支架結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，提升支架所承受的大部分風(fēng)荷載和水平荷載都是通過它傳到支架受力體系上的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待。龍門吊大梁全長(zhǎng)200m，寬10m，高11m，達(dá)到預(yù)定高度后其底面距地面100m，合計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重5000t。

1　提升支架的設(shè)計(jì)思路

龍門吊提升支架的結(jié)構(gòu)形式為帶纜風(fēng)繩的門式塔架體系，其特點(diǎn)是高度對(duì)門架柱橫截面尺寸比例很大。由于起吊重量的限制，橫向水平風(fēng)荷載將起到?jīng)Q定性作用。

減少風(fēng)荷載對(duì)節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)體系的受力有重要意義，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造，減少迎風(fēng)面積。風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)高度、橫截面尺寸、構(gòu)件形式等有關(guān)。因此合理確定結(jié)構(gòu)的立面形式及幾何尺寸，正確選用構(gòu)件的截面是龍門吊提升支架設(shè)計(jì)的重要步驟。

選取結(jié)構(gòu)形式時(shí)，宜對(duì)各種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、方便現(xiàn)場(chǎng)施工等方面的比較，以求進(jìn)一步節(jié)約材料、降低造價(jià)、提高安全度、加快施工進(jìn)度。為了降低結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)用，應(yīng)采取構(gòu)造簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并使結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。

1.1提升大梁的設(shè)計(jì)

對(duì)于龍門吊提升支架大梁的設(shè)計(jì)，通過幾種結(jié)構(gòu)形式方案的比較，最終選用兩根寬1.2m，高3.4m的箱形大梁作為提升大梁。兩根箱形大梁端部相連，每根大梁用法蘭按等強(qiáng)度原則拼接，以保證大梁的連續(xù)性，箱形大梁內(nèi)部按規(guī)范要求設(shè)置縱向和橫向加勁肋。提升大梁示意圖詳見圖2。

圖2　提升大梁示意圖

1.2提升支架柱的設(shè)計(jì).

提升支架柱為四邊形格構(gòu)式綴條柱，起初的考慮是提升支架柱肢每段的長(zhǎng)度以運(yùn)輸長(zhǎng)度為限，現(xiàn)場(chǎng)用法蘭接長(zhǎng)，綴條在現(xiàn)場(chǎng)用法蘭連接。這種方法現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大，結(jié)構(gòu)質(zhì)量很難保證。

為了降低造價(jià)，加快施工進(jìn)度，盡可能多的工作應(yīng)在工廠完成，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。為此，對(duì)前面所做的設(shè)計(jì)方案不斷改進(jìn)，根據(jù)龍門吊提升支架本身的特點(diǎn)，將其劃分為若干標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，在工廠按節(jié)生成，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后用螺栓連接將各節(jié)組裝成提升支架柱。根據(jù)塔架高度和提升支架柱平面尺寸，將提升支架柱劃分為1個(gè)底節(jié)、17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1個(gè)頂節(jié)，底節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高6m，頂節(jié)高12m，各節(jié)如圖3所示。提升支架柱現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)，只需將柱肢各節(jié)依次就位，然后用套筒和螺栓連接。為了上、下節(jié)鋼柱安裝就位，在下節(jié)鋼柱內(nèi)焊接一道就位鋼管，安裝時(shí)將就位鋼管伸入上節(jié)鋼柱內(nèi)，然后用8個(gè)M30長(zhǎng)螺栓穿過焊接于鋼柱外圈的Φ60/14套筒并擰緊。

圖3　提升支架柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)劃分

提升支架柱按這樣設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要通過增加或減少標(biāo)準(zhǔn)節(jié)來(lái)調(diào)整門架的高度，達(dá)到多次重復(fù)使用的目的，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2　提升支架體系的計(jì)算分析

2.1提升支架體系的簡(jiǎn)化分析

提升支架體系通過門式支架和纜風(fēng)繩的共同作用來(lái)承受外荷載，體系的受力情況很復(fù)雜，精確計(jì)算并不容易，初步設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以只考慮主要的影響因素而忽略次要的因素，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，以方便我們的計(jì)算。

門式支架的柱肢和提升大梁鉸接連接，支架兩個(gè)柱肢的受力狀態(tài)基本相同，計(jì)算時(shí)，兩個(gè)柱肢可按照剛度和面積相等的原則換算成一根彈性豎桿。纜風(fēng)繩沿空間布置，其受力情況比較復(fù)雜，精確計(jì)算比較困難。初步計(jì)算時(shí)可以忽略背風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向的纜風(fēng)繩，這些纜風(fēng)繩受力較小，對(duì)體系的受力狀態(tài)影響不大，而只考慮迎風(fēng)向的纜風(fēng)繩，這根纜風(fēng)繩是主要的抗風(fēng)構(gòu)件。

經(jīng)過以上的處理方法，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1.1單根纜風(fēng)繩的受力分析

由于纖繩的非線性工作性質(zhì)，精確計(jì)算纖繩受力是比較困難和費(fèi)時(shí)的，于是便有了適用于各種情況的近似方法。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常常作下列假定:

（1）纖繩垂度與纖繩弦長(zhǎng)之比相當(dāng)小。通常情況下，纖繩垂度小于纖繩弦長(zhǎng)1/10，屬于小垂度范圍，這一假定符合工程實(shí)際，對(duì)實(shí)際工程有足夠的精度。

（2）作用在纖繩上的所有荷載都是均布的。這一假定對(duì)纖繩采取了以拋物線代替懸鏈線的近似形式，其誤差也不大。

（3）單根纖繩受力計(jì)算時(shí)不考慮平行于纖繩弦向的荷載。通過計(jì)算比較，忽略弦向荷載的作用，其解與精確解差別不大，滿足工程的精度要求。

圖5　纖繩計(jì)算的基本圖形

計(jì)算纖繩時(shí)，先假定纖繩兩端固定，纖繩受到垂直于弦向的均布荷載作用，根據(jù)柔索原理得到纖繩垂度f(wàn)i和纖繩懸垂線的曲線長(zhǎng)度Li的計(jì)算公式[1]：

式中:

qi——纖繩弦向均布荷載；

li——纖繩跨長(zhǎng)；

Si——纖繩弦向張拉力。

根據(jù)纖繩弦向長(zhǎng)度變化和受力狀態(tài)之間的關(guān)系可得如下的纖繩公式[1]：

式中：l0為纖繩初始狀態(tài)的弦向長(zhǎng)度；△l為纖繩弦向長(zhǎng)度的增量；q、q0為纖繩工作狀態(tài)和初始狀態(tài)時(shí)垂直于弦向的均布荷載；S、S0為纖繩工作狀態(tài)和初始狀態(tài)時(shí)的弦向張力；E為纖繩材料的彈性模量；A為纖繩的有效截面積；ε為纖繩材料的溫度線膨脹系數(shù)；t、t0為纖繩工作狀態(tài)和初始狀態(tài)時(shí)的溫度。

由式(3)可知纖繩弦向力與弦向變形△l是三次方的曲線關(guān)系，表現(xiàn)出非線性的工作性質(zhì)，纖繩方程求解時(shí)須通過迭代反復(fù)計(jì)算，才能求得弦向變形值△l與纖繩弦向張力S的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1.2簡(jiǎn)化體系的受力分析簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體系的外荷載由纖繩和彈性豎桿共同承受，纖繩和彈性豎桿共同作用的機(jī)理非常復(fù)雜，要將纖繩和彈性豎桿作為一個(gè)整體來(lái)分析比較困難，須進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算時(shí)可將纖繩和彈性豎桿分別進(jìn)行計(jì)算，然后利用頂節(jié)點(diǎn)處纖繩和彈性豎桿的水平位移相等的幾何條件聯(lián)立求解。計(jì)算時(shí)首先假定一合理的柱子變形曲線，假定纖繩節(jié)點(diǎn)的初始水平位移值為y1s，計(jì)算纖繩的弦向張力值，將此張力反向施加于彈性豎桿，計(jì)算彈性豎桿在豎向和水平荷載作用下的水平位移值y1z，倘若y1s≌y1z，可認(rèn)為此位移值即為結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際位移值。否則，令y2s=ylz，繼續(xù)計(jì)算彈性豎桿位移y2z，如此反復(fù)進(jìn)行，直到y(tǒng)ns≌ynz，利用此位移值即可求得纖繩和彈性豎桿的內(nèi)力。

2.2提升支架體系的非線性分析

龍門吊提升支架體系由門架柱、提升大梁和纜風(fēng)繩組成。門架柱為空間格構(gòu)式桁架，其弦桿連續(xù)，腹桿和橫桿鉸接于弦桿上，在很大的豎向和水平向荷載作用下，所有桿件受力均以軸力為主，彎矩、剪力和扭矩所占比例非常小，可以忽略不計(jì)，所以門架柱計(jì)算模型可簡(jiǎn)化成空間桁架結(jié)構(gòu)。提升大梁由兩根大的箱形管構(gòu)成，起吊時(shí)提升荷載直接作用在提升大梁上，在大梁中產(chǎn)生很大的剪力和彎矩，可以將大梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，直接作用在門架柱頂。由于索只能承受軸力，可以將索定義為只拉單元。由于纜風(fēng)繩的對(duì)稱布置，兩榀門架的受力基本相同，提升支架的計(jì)算模型可取一榀門架研究，如圖6所示。

2.2.1纜風(fēng)繩的選擇

主索選用外徑Φ65,6x37 (鋼絲Φ3.0，A=1568mm2，自重1465kg/100m)；副索用外徑Φ56,6x37(鋼絲Φ2.6，A=1178mm2，自重1107kg/100m)；抗強(qiáng)風(fēng)鋼索同主索，塔架自升臨時(shí)纜風(fēng)繩同副索，所用鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度均為1670N/mm2，彈性模量E= 1.2x105MPa。每根纜風(fēng)繩所需鋼絲繩根數(shù)和其它相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　纜風(fēng)繩參數(shù)

表2　提升支架設(shè)計(jì)主要工況及控制荷載組合

2.2.2支架體系的加載

由于龍門提升架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)只考慮一種荷載組合: 1.2恒載+1.4吊重+1.4風(fēng)載。塔架內(nèi)力分析考慮四種工況，見表2。

圖6　龍門吊提升支架計(jì)算模型

對(duì)每種工況，提升支架所受風(fēng)荷載均應(yīng)考慮三種風(fēng)向，即橫向、縱向和45°風(fēng)向。第四種工況中龍門吊大梁所受風(fēng)載由專用纜風(fēng)繩承擔(dān)，僅纜風(fēng)繩拉力的豎向分量作用于提升支架上。用3d3s進(jìn)行分析時(shí)，風(fēng)荷載用桿件導(dǎo)荷載，塔架分為10段，每段的風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)按實(shí)際高度取值，體形系數(shù)取1.2。龍門吊大梁的自重荷載作為均布荷載作用于門架大梁的中部；承受的風(fēng)荷載按實(shí)際風(fēng)向采用集中力施加于門架大梁上。

2.2.3非線性靜力分析

門架柱、纜風(fēng)繩計(jì)算的控制截面和控制點(diǎn)的取法如下:

（1）門架柱柱肢內(nèi)力，取門架柱底節(jié)的四根柱肢作為控制截面。

（2）門架柱斜桿內(nèi)力，取門架柱底節(jié)的交叉斜桿作為控制截面。

（3）腹桿內(nèi)力，取計(jì)算結(jié)果中內(nèi)力最大值的腹桿為腹桿的控制截面。

（4）橫桿內(nèi)力，取計(jì)算結(jié)果中內(nèi)力最大值的橫桿為橫桿的控制截面。

（5）門架柱柱身位移，取門架柱頂節(jié)的頂點(diǎn)作為位移控制點(diǎn)。

（6）纜風(fēng)繩張力，根據(jù)風(fēng)向分別取各風(fēng)向主纜風(fēng)繩的張力。

（7）纜風(fēng)繩位移，取主纜風(fēng)繩上部連接節(jié)點(diǎn)處的位移。

3　鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆卸

3.1鋼結(jié)構(gòu)的安裝

鑒于上述標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝可以參考建筑工地施工塔吊的安裝方法，以加快現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度，提高施工的質(zhì)量。

設(shè)計(jì)一提升套架，其頂端與門架柱頂節(jié)牢固連接，套架下部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)置多個(gè)滑輪，可以沿已經(jīng)安裝就位的門架柱節(jié)滑動(dòng)。

安裝時(shí)，先用吊車在兩個(gè)塔基上面安裝好底節(jié)、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂節(jié)、提升套架和承重小梁，形成兩個(gè)穩(wěn)定的四邊形塔體。將已經(jīng)在地面拼裝好的兩片腳手架吊裝就位，并在兩片腳手架之間按照設(shè)計(jì)位置固定兩根支撐梁[28。然后分六段吊裝兩根提升大梁，大梁邊段一端擱置在支撐小梁上，另一端擱置在[28支撐梁上，大梁中段梁端均擱置在[28支撐梁上。大梁就位并測(cè)定位置后用法蘭連接螺栓緊固，箱形大梁內(nèi)側(cè)法蘭螺栓則由梁端平臺(tái)進(jìn)入箱形梁內(nèi)側(cè)緊固。最后連接好提升大梁和支承小梁之間的緊固螺栓，并在其間裝橡膠墊板，固定好大梁之間以及大梁與腳手架之間的連接板件，在設(shè)計(jì)位置焊接好牽繩連接板，準(zhǔn)備按照塔吊安裝方法進(jìn)行施工。

頂升外套架，連同門架柱肢頂節(jié)、提升大梁和腳手桁架等一起爬升，每次上升3m，兩次安裝一個(gè)門架柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，兩個(gè)門架柱同時(shí)提升。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)裝入后及時(shí)用螺栓固定，每安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均要對(duì)門架柱的標(biāo)高和垂直度做測(cè)定、調(diào)整，保證安裝的質(zhì)量。

當(dāng)大梁頂超過78m時(shí)，在套架底約60m高的門架柱節(jié)點(diǎn)上四面用臨時(shí)纜風(fēng)繩固定，繼續(xù)頂升外套架。當(dāng)頂升達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，按設(shè)計(jì)要求的工作狀態(tài)連接、張拉纜風(fēng)繩。同時(shí)調(diào)整兩座塔的垂直度，使兩座塔的垂直度偏差在X、Y方向均小于30mm。纜風(fēng)繩的預(yù)應(yīng)力值應(yīng)分幾次逐步對(duì)稱調(diào)整到設(shè)計(jì)值，最終纜風(fēng)繩預(yù)拉力偏差控制在設(shè)計(jì)值的10%之內(nèi)，此時(shí)門架柱的垂直度標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)滿足。

檢查所有的螺栓連接質(zhì)量及安全措施。逐步放松60m高度處的臨時(shí)纜風(fēng)繩，并觀測(cè)變形值的變化，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并在提升大梁上固定千斤頂梁和千斤頂，完成一副門架的安裝。一切就緒后按照前面的步驟開始安裝另一副門架，形成完整的結(jié)構(gòu)體系。

3.2鋼結(jié)構(gòu)的拆卸.

龍門提升架屬于臨時(shí)結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后開始提升5000t龍門吊大梁，龍門吊形成自身的結(jié)構(gòu)體系大約需要15d時(shí)間，之后就要拆卸鋼結(jié)構(gòu)提升架。

龍門吊提升支架拆卸時(shí)，先恢復(fù)60m高度處的臨時(shí)纜風(fēng)繩，架起[28支撐梁，拆除龍門吊提升支架頂部的工作狀態(tài)受力纜風(fēng)繩。拆卸提升大梁的連接螺栓，將提升大梁拆分成六段，分段吊裝降落到地面。再將腳手桁架從門架頂拆除，拆分成兩片，分片降落到地面。

拆除掉門架頂?shù)奶嵘罅汉湍_手桁架后，利用門架柱頂端的套架和頂升千斤頂?shù)茸陨O(shè)備按照安裝時(shí)的方法，向下逐段拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。當(dāng)套架下端接近60m處纜風(fēng)繩時(shí)，拆除該高度處的四向臨時(shí)纜風(fēng)繩，然后繼續(xù)向下逐段拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，直到最后剩下底節(jié)、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和頂節(jié)。最后用吊車拆除外套架、門架柱頂節(jié)、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和底節(jié)，完成整個(gè)龍門吊提升支架的拆卸。

4　結(jié)語(yǔ)

龍門吊提升支架的結(jié)構(gòu)體系由兩榀門式提升支架及張拉其上的12根纜風(fēng)繩構(gòu)成，12根纜風(fēng)繩和兩榀門架組成一個(gè)整體共同承受工作狀態(tài)下的水平荷載和豎向荷載。

分析龍門吊提升支架這類高而細(xì)長(zhǎng)的索-桁架混合結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將支架和纜風(fēng)繩作為一個(gè)整體，計(jì)算兩部分之間的相互作用，并充分考慮支架的P-△效應(yīng)和纜風(fēng)繩的非線性特征，必要時(shí)還需要考慮結(jié)構(gòu)塑性的發(fā)展。

提升支架作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，一個(gè)龍門吊提升完成后就要拆卸，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮安裝、拆卸的方便性以及支架多次使用的可能性。將提升支架柱身設(shè)計(jì)為一個(gè)底節(jié)、一個(gè)頂節(jié)和多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，每一個(gè)節(jié)段各桿件之間用螺栓連接，不僅安裝和拆卸非常方便，而且可以多次重復(fù)利用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王仕統(tǒng)，姜正榮，謝京.索－桁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001(5).

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

作者簡(jiǎn)介：周全(1983-)，男，四川巴中人，研究生，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主任工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

收稿日期：2016-01-12

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.021

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）03-0021-04