倒三角起重臂預起拱制作與檢測技術研究

郝好峰，范開英，沈蘭華，洪 郴

（1.中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東 濟南 250102；2.山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

平臂塔機因安裝方便、變幅速度快、覆蓋范圍大等優(yōu)勢而廣泛應用于建筑施工項目。在起重吊裝作業(yè)過程中，起升載荷向外變幅隨著幅度的增加而起重力矩負荷率增加，穩(wěn)定性下降，危險性加大。為防止意外發(fā)生，平臂塔機起重臂在設計和制作時通常略微上揚，在變幅鋼絲繩斷裂后起升載荷不能自行沿著起重臂向外變幅，降低負荷率和安全風險[1]。

平頭塔機起重臂自重應力在材料利用率中占有較大比例，預起拱的控制由于生產制作方式的不同，實現(xiàn)效果有時達不到設計要求。在驗收時只能跟隨制作過程檢測，難以得到客戶現(xiàn)場安裝狀態(tài)的對比使用數(shù)據(jù)，也缺乏相關規(guī)范的標準支持，需要設計進一步的分析指導。

1 預起拱方式

平臂塔機按照有無塔尖結構可分為塔頭塔機和平頭塔機。結構設計對起重臂預起拱采用不同的方式。

塔頭塔機起重臂一般采用正三角結構，通過前拉桿從塔帽頂部連接起重臂中部。因為塔帽和拉桿的存在，起重臂在制作時可不考慮預起拱，而是通過設計減少拉桿長度，使起重臂微微上翹1°～1.5°。

平頭塔機起重臂屬于懸臂結構，起重臂預起拱只能通過自身構造實現(xiàn)。起重臂上弦桿各段之間鉸接時設計適當轉角，結構制作時考慮下弦桿保持端面頂緊，形成一條鏈式拋物線，實現(xiàn)起重臂平滑上揚[2]。

大型平頭塔機起重臂可采用正三角或倒三角結構，選用倒三角結構時，因各段受力差異較大，在結構材料選取和轉角設計時，各段設計預起拱要求均不相同。為保證下弦桿能夠有效傳遞壓力，需要分段計算校核和制作加工，難以采用統(tǒng)一的標準工裝。起重臂在分段制作桁架過程中因倒三角的不穩(wěn)定結構，一般采用正三角組合方式進行拼裝?？紤]自重應力的影響，制作過程和工作狀態(tài)屬于截然相反的受力工況，需要對結構制作過程進行設計指導。

2 受力工況分析

起重臂在工作狀態(tài)下的載荷組合工況是設計控制的主要內容，通過設計資料輸出反應起重臂結構制作標準值。起重臂設計在強度計算時可采用根部固定方式，也可以固定回轉塔身；在剛度計算時需采用整機校核。各種工況起重臂都處于倒三角狀態(tài)，且各段之間沒有外部約束和支座反力。在設計輸出時，一般項目輸出為制作最終控制尺寸，但起重臂因其自重變形不可忽略，且生產工藝人員難以預判整體裝配后的變形量，需要設計單獨提供預拱度尺寸數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 起重臂設計模型

在起重臂部件制作和驗收過程中，因生產條件限制無法剛性固定回轉塔身，為保證起重臂單部件結構穩(wěn)定，需要對起重臂進行分段支墊，受力狀態(tài)完全不同。生產制作約束狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 起重臂倒組合制作約束示意圖

起重臂倒置組合制作驗收時，由于各段上主弦桿均被工裝支墊，不存在整體懸臂自重應力，只有各段區(qū)間的單節(jié)自重應力影響。隨著工裝支墊的增加，單段自重撓度與圖1 所示整體懸臂工況相比可以忽略。在制作過程中，可以按照設計校核的預起拱尺寸數(shù)值D 鏡像放樣，直接制作。

桁架組合后，因結構制作相關工序要求，起重臂不能一次性完工，因此需要在預裝配拆分前進行組合精度控制。起重臂整體驗收時以起重臂設計值為基礎，把圖紙角度參數(shù)轉化為高度參數(shù)[3]，將設計放樣數(shù)據(jù)和現(xiàn)場組合數(shù)據(jù)進行對比，驗證制作是否符合圖紙要求。因每段起拱角度數(shù)值較小，單件測量精度受限，對解體后的起重臂單部件不再進行復檢。

3 檢測方案對比

起重臂結構制作可以按照鋼結構驗收規(guī)范和設計圖紙進行驗收，但對于預起拱沒有標準可以參考。在設計計算時模擬實際使用的倒三角狀態(tài)；在生產制作時根據(jù)工廠條件采用的組合工藝為正三角狀態(tài)，兩種狀態(tài)的差異給檢驗帶來了很多問題。為確保起重臂預起拱制作質量，我們制定了3 種質量控制方案，并對結果進行了分析對比。

3.1 方案一：制作過程驗收

為防止在結構制作過程中非生產要素引起的定位變化，在上主弦桿約束的基礎上，下主弦拼裝時通過螺栓或焊接點固，保證制作過程的尺寸穩(wěn)定。質量控制配合制作工藝，在主要結構拼裝之后、大組合拆分前進行起重臂整體結構尺寸驗收，驗收標準為設計輸出原始尺寸。但此種檢測方案與最終使用狀態(tài)不一致，與設計意圖的自重應力方向相反，也不能驗證設計的正確性，因此沒有得到所有客戶的認可。

3.2 方案二：倒組合驗收

為驗證起重臂在后續(xù)焊接作業(yè)完成后，是否對主結構尺寸發(fā)生影響，在所有結構制作工序完成后，對起重臂進行倒組裝驗收，對所有上主弦桿進行支墊，模擬制作狀態(tài)進行起重臂驗收。

3.3 方案三：正組合驗收

為消除支座高低對起重臂結構變形的影響，最大程度模擬起重臂空載工況的狀態(tài)，選擇在起重臂節(jié)二上主弦桿節(jié)點處進行如圖3 所示豎直支墊。因起重臂整體重心已經(jīng)在節(jié)點3 的右側，為保持穩(wěn)定在起重臂節(jié)點5 處加設彈性支撐，將約束載荷反饋給設計，通過設計計算給出當前狀態(tài)的自重下?lián)现礷?，F(xiàn)場驗收前將圖示沒有的約束支墊全部拆除，測量起重臂預拱度數(shù)據(jù)。

圖3 起重臂正組合驗收約束示意圖

驗收時，為統(tǒng)一基準，將起重臂節(jié)二軌道調成水平，測量軌道踏面作為起拱數(shù)據(jù)。記錄3 種方案的記錄結果依次為Za，Zb，Zc，3 種方案測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 起重臂各驗收方案軌道標高值

表中符號含義如下。

B——起重臂單節(jié)長度；

Bz——下?lián)蠈崪y位置幅度。

4 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場驗收狀態(tài)起重臂節(jié)二的初始角度為0°，作為本次驗收的水平基準，圖紙放樣預起拱數(shù)據(jù)為D，設計提供起重臂自重下?lián)蠟閒z。

設起重臂設計圖紙節(jié)二的總轉角為α，則有按驗收狀態(tài)折算節(jié)點n的自重下?lián)蟜an

綜合得出正組合各節(jié)點理論下?lián)蟌an為

起重臂起拱數(shù)據(jù)雖然用高度數(shù)據(jù)標識，但實際設計意圖是起重臂帶載后仍能保持起拱角度大于0°，換算到各節(jié)點的公差范圍與測量基準點的距離成正比。經(jīng)設計評估起拱偏差參照直線度要求，按照1/1 000 控制，得出合格判據(jù)Ds。

經(jīng)計算各方案測量結果偏差如表2 所示。

表2 起重臂各驗收方案預起拱標準值 （單位：mm)

表中fa——起重臂各轉角折算的節(jié)點起拱；

Za——起重臂各節(jié)點的實際起拱；

Ds——預起拱允許結構制作偏差。

1）方案一制作起拱和圖紙設計偏差Da較小，說明制作過程嚴格執(zhí)行設計要求。

2）方案二驗收數(shù)據(jù)和設計理論數(shù)據(jù)偏差Db較大。經(jīng)設計模擬計算和現(xiàn)場勘驗分析：制作的輕微偏差即使在允許范圍內，也會導致頂緊發(fā)生過壓或松弛情況；現(xiàn)場為檢查下主弦桿是否貼實，支墊高度需要比制作狀態(tài)更高。現(xiàn)場支墊的高低極大程度上影響了支座反力，下主弦桿存在壓應力，不是純自重狀態(tài)?，F(xiàn)場驗收既不能反映結構制作精度，也不能反應自重狀態(tài)，對設計和結構制作無法驗證。從表中數(shù)據(jù)分析，支墊工裝存在調節(jié)過高現(xiàn)象。

3）方案三驗收數(shù)據(jù)Dc更真實地反映了起重臂工作空載狀態(tài)下的起拱狀態(tài)。驗收時未能意識到結果的偏差會比方案一偏大，但考慮起重臂整體組合后，各段誤差會均對遠離支墊的位置造成累計影響，按角度分析判斷更符合設計意圖。

5 結論

通過對平頭塔機倒三角起重臂現(xiàn)場制作和驗收過程中存在問題的調研，從工作狀態(tài)和制作狀態(tài)的差異著手，指出現(xiàn)場驗收偏差較大的原因，并為現(xiàn)場正組合驗收提供參考標準和合格判據(jù)。

1）當客戶提出制作狀態(tài)驗收與實際工況不符后，以客戶關注為焦點，為打消疑慮，本項目采用正組合方式進行驗證性復檢。部件驗收條件不同于整機驗收，有些參數(shù)仍然需要設計指導才能進行，測量結果間接驗證設計和制作的有效性。

2）倒三角起重臂正組合狀態(tài)更符合起重臂空載受力狀態(tài)。起重臂在自重作用下，可以將軸孔加工配合公差、結構焊接變形和下主弦桿端面頂緊配合等因素更好地體現(xiàn)出來。

3）起重臂倒置組合狀態(tài)更符合生產制作實際，在組合的過程中也更為安全，通過倒組合工況的驗收，驗證生產制作過程質量控制能夠滿足起重臂預起拱結構要求，是一種行之有效的工藝方法。