螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李海峰，張子偉，李晨陽(yáng)，倪浩然，隗永燕

（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司建設(shè)咨詢(xún)公司，北京 西城 100176）

電力淺埋暗挖隧道截面尺寸較小，無(wú)法使用大型龍門(mén)吊等設(shè)備，出土及物料進(jìn)出一般采用型鋼組裝龍門(mén)架?，F(xiàn)有龍門(mén)架立柱、主梁、橫撐、剪刀撐等采用焊接或焊接與螺栓相結(jié)合的方式安裝。安裝過(guò)程中，焊接接頭容易產(chǎn)生較大的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力差，從而影響接頭的承載能力、加工精度和尺寸穩(wěn)定差，同時(shí)在焊縫與配件的交界處（熱影響區(qū)）產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)接頭的疲勞斷裂有較大影響。焊接接頭中容易產(chǎn)生焊接缺陷（裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透）等。這些缺陷的存在會(huì)降低焊接接頭強(qiáng)度、引起應(yīng)力集中、損壞焊縫致密性。拆卸過(guò)程中，需要切割架體型鋼，造成鋼材截短。架體周轉(zhuǎn)利用率較低、在安拆過(guò)程中須進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)，存在火災(zāi)、電擊傷害等風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述缺陷和不足，試制一種全螺栓連接的龍門(mén)架。架體通過(guò)地腳螺栓與基礎(chǔ)固定，各結(jié)構(gòu)件及附件通過(guò)普通螺栓或高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，解決現(xiàn)有龍門(mén)架安拆過(guò)程中因動(dòng)火造成的一系列安全、質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，螺栓連接具備安拆方便、連接可靠、周轉(zhuǎn)效率高、實(shí)用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，通過(guò)螺栓連接的原理設(shè)計(jì)一種螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架。設(shè)計(jì)依照規(guī)范、規(guī)程如下：GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》。

1.1 選材

立柱為I32a 工字鋼，橫梁為I32a 工字鋼，導(dǎo)梁為I36a 工字鋼。

1.2 確定龍門(mén)架尺寸

根據(jù)電力隧道施工條件及施工經(jīng)驗(yàn)，總長(zhǎng)跨度14 m，橫向跨度7 m，高度7 m 的龍門(mén)架可滿(mǎn)足大多數(shù)使用場(chǎng)景。

1.3 確定龍門(mén)架結(jié)構(gòu)

龍門(mén)架共設(shè)6 根I32a 工字鋼立柱，龍門(mén)架立柱固定在鋼筋砼支墩，以支撐龍門(mén)架的自重及吊運(yùn)重物時(shí)所發(fā)生的一切荷載。支墩為現(xiàn)澆C30 砼，尺寸為1.0 m × 1.0 m × 1.0 m，在基礎(chǔ)支墩上預(yù)埋地腳螺栓，以便龍門(mén)架工字鋼立柱與基礎(chǔ)支墩牢固連接。

電動(dòng)葫蘆導(dǎo)梁（行走大梁）1 根，根據(jù)工程量大小可設(shè)為雙軌（行走大梁），為I36a 工字鋼，導(dǎo)向梁與立柱上橫梁牢固連接，橫梁為3 根I32a 工字鋼，立柱之間用I32a 槽鋼做成剪刀撐和橫撐，用以保證龍門(mén)架框架的整體穩(wěn)定性。

如圖1 所示，龍門(mén)架屋面及側(cè)面封板使用彩鋼板進(jìn)行全封閉處理，首先在地面上使用螺栓將檁條之間連接好，隨后使用吊車(chē)吊運(yùn)至龍門(mén)架預(yù)留位置，采用曲臂車(chē)配合人工使用自攻螺絲將彩鋼板固定在檁條上。檁條為40 mm × 60 mm × 3 mm 矩形管，龍門(mén)架立柱上預(yù)制鋼板檁托，檁條與檁托之間采用M12 螺栓[1]。

圖1 立體剖面圖

1.4 建模計(jì)算

使用PKPM 軟件建立模型并完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)模型概況

根據(jù)螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)信息，確定主體結(jié)構(gòu)模型的總體信息如表1～5 所示。

表1 總信息

表2 設(shè)計(jì)信息

表3 風(fēng)荷載信息

表4 地震信息

表5 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表

2.2 單工況內(nèi)力、位移云圖分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)定工況5 個(gè)：恒載荷、活載荷、X向地震、Y向地震和豎向地震作用，運(yùn)用PKPM 軟件建立螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架模型，并進(jìn)行內(nèi)力云圖、位移云圖計(jì)算，如圖2～圖9 所示，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程要求[2]。

圖2 恒荷載（含自重）工況軸力云圖（kN）

圖3 活荷載工況軸力云圖（kN）

圖4 X 向地震工況軸力云圖（kN）

圖5 Y 向地震工況軸力云圖（kN）

圖6 豎向地震工況軸力云圖（kN）

圖7 恒荷載（含自重）工況位移云圖（mm）

圖8 X 向地震工況位移云圖（mm）

圖9 Y 向地震工況位移云圖（mm）

2.3 多工況組合內(nèi)力云圖分析

恒載荷、活載荷、X向地震、Y向地震和豎向地震作用5 個(gè)工況，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用場(chǎng)景，各工況乘以系數(shù)后兩兩或三個(gè)間相互組合，形成46 種組合模擬應(yīng)用場(chǎng)景，再分別進(jìn)行組合內(nèi)力云圖計(jì)算，結(jié)果表明模型的內(nèi)力分布情況符合規(guī)范要求[3-5]。其中，極限情況出現(xiàn)在組合9、組合10、組合31、組合32，仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求，各內(nèi)力云圖如圖10～圖14 所示。

圖10 豎向地震工況位移云圖（mm）

圖11 組合9:1.2 × 重力荷載代表值效應(yīng)+1.3 ×X 向地震+0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖12 組合10:1.2 × 重力荷載代表值效應(yīng)+1.3 ×X 向地震-0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖13 組合31:1 × 重力荷載代表值效應(yīng)+1.3 ×X 向地震+0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖14 組合32:1 × 重力荷載代表值效應(yīng)+1.3 ×X 向地震-0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

3 龍門(mén)架的應(yīng)用

目前，姜莊湖220 kV 輸變電工程（溝道）項(xiàng)目3#豎井龍門(mén)架已安裝完成并投入使用，現(xiàn)總結(jié)了安裝流程，具體內(nèi)容如下。

3.1 龍門(mén)架安裝整體流程

施工準(zhǔn)備→龍門(mén)架部件安裝→連接電葫蘆檢修平臺(tái)及附屬設(shè)施→安裝擋土支撐及擋土鋼板→龍門(mén)架試運(yùn)行。

3.2 龍門(mén)架部件安裝順序

安裝施工順序?yàn)椋旱孛娼M裝立柱和橫梁→按照順序吊裝立柱和橫梁組合件→吊裝導(dǎo)軌梁→吊裝剪刀撐、連系梁。

在地面將立柱與橫梁采用M22 螺栓連接為組件，須嚴(yán)格控制橫梁與立柱軸線(xiàn)垂直并居中。吊裝組件至基礎(chǔ)位置時(shí)，將其立柱底端連接鋼板與基礎(chǔ)預(yù)埋地腳螺栓連接。龍門(mén)架立柱安裝過(guò)程中，如垂直度偏差不大，可通過(guò)底部增加墊塊來(lái)調(diào)整，否則須將組件放平后對(duì)立柱底端進(jìn)行加工處理。

吊裝中間立柱，方法同兩端立柱。嚴(yán)格控制立柱垂直度。

門(mén)框柱安裝完畢后，安裝導(dǎo)軌梁。在導(dǎo)軌梁頂部與橫梁接觸位置預(yù)制連接板，連接板與橫梁采用M22 螺栓連接。由于導(dǎo)軌梁跨度大，須使用兩根（或多根）I36a 工字鋼對(duì)接而成，連接處兩側(cè)對(duì)扣20 mm厚連接板，使用螺栓連接牢固。安裝行走梁時(shí)，在安裝行走梁先提前把電葫蘆安裝到比較長(zhǎng)的一根。導(dǎo)軌梁吊裝過(guò)程須平穩(wěn)，期間信號(hào)工與吊車(chē)司機(jī)須使用對(duì)講機(jī)隨時(shí)溝通，協(xié)調(diào)一致。吊裝前在導(dǎo)軌梁上事先進(jìn)行捆綁纜風(fēng)繩，用以牽引導(dǎo)軌梁吊運(yùn)方向。

龍門(mén)架立柱上部縱向設(shè)置水平撐，水平撐采用120 mm × 120 mm × 5 mm 方鋼，剪刀撐及門(mén)框斜撐采用12a 槽鋼。水平撐、剪刀撐及門(mén)框斜撐與立柱接觸位置預(yù)制連接板，連接板與立柱采用M22 螺栓連接。

在龍門(mén)架一端設(shè)電葫蘆檢修平臺(tái)，檢修平臺(tái)外側(cè)設(shè)1.2 m 安全護(hù)欄。龍門(mén)架出土一側(cè)設(shè)置土倉(cāng)，土倉(cāng)骨架采用I20a 工字鋼預(yù)制而成。土倉(cāng)立柱水平間距2.3 m，高度3.5 m，錨入地下深度1 m。在距地高度0.8 m、2.1 m 處設(shè)2 道橫桿，橫桿與立柱螺栓連接。橫桿內(nèi)側(cè)滿(mǎn)鋪10mm 厚鋼板。

在龍門(mén)架立柱外側(cè)水平預(yù)制鋼板檁托，鋼板檁托與檁條之間采用M12 螺栓進(jìn)行連接。在地面上使用螺栓將檁條之間連接好，隨后使用吊車(chē)吊運(yùn)至龍門(mén)架預(yù)留位置，采用曲臂車(chē)配合人工使用自攻螺絲將彩鋼板固定在檁條上，屋頂需加工成人字屋面。彩鋼板封閉密實(shí)，板面之間搭接設(shè)置。待以上工作完成后，最后做龍門(mén)架調(diào)試檢測(cè)工作。

3.3 驗(yàn)收內(nèi)容

（1）金屬結(jié)構(gòu)有無(wú)開(kāi)焊和明顯變形；

（2）架體各節(jié)點(diǎn)連接螺栓是否緊固；

（3）架體的安裝精度是否符合要求；

（4）安全防護(hù)裝置是否符合要求；

（5）電氣設(shè)備及操作系統(tǒng)的可靠性；

（6）信號(hào)及通信裝置的使用效果是否良好清晰；

（7）鋼絲繩、滑輪組的固接情況；

（8）提升機(jī)與輸電線(xiàn)路的安全距離及防護(hù)情況；

（9）其他規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)目；

（10）空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；

（11）額定載荷實(shí)驗(yàn)；

（12）超載25%實(shí)驗(yàn)。

4 主要優(yōu)點(diǎn)

4.1 制造成本低

螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架的構(gòu)成件型號(hào)簡(jiǎn)單、統(tǒng)一，制造廠(chǎng)便于統(tǒng)一制造模具，大幅度降低龍門(mén)架構(gòu)成件制作成本，并且便于制造過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)督，間接提升螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架的成品質(zhì)量。

4.2 運(yùn)輸方便

改進(jìn)后通過(guò)螺栓連接結(jié)構(gòu)，將行走梁部位分成兩根并用螺栓連接，每段最長(zhǎng)8 m。運(yùn)輸時(shí)，選擇普通6.8 m 貨車(chē)運(yùn)輸即可，可以減少運(yùn)輸過(guò)程中的成本。

4.3 安、拆簡(jiǎn)單，不損傷型材

傳統(tǒng)龍門(mén)架安、拆須要使用電氣焊，作業(yè)前須進(jìn)行煩瑣的施工準(zhǔn)備，作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢氣影響環(huán)境，并且增加了現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)、觸電等安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，在拆除過(guò)程中，往往會(huì)損傷型材，對(duì)后續(xù)使用產(chǎn)生影響，降低龍門(mén)架型材周轉(zhuǎn)使用次數(shù)。

螺栓連接結(jié)構(gòu)的龍門(mén)架可以解決上述問(wèn)題。螺栓連接結(jié)構(gòu)的作業(yè)前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，操作人工只需要板手和安全帶即可。安拆過(guò)程無(wú)動(dòng)火作業(yè)，綠色環(huán)保，安全可靠。拆除后不損傷龍門(mén)架的型材，可按原設(shè)計(jì)位置重新安裝，周轉(zhuǎn)使用費(fèi)用低。螺栓連接結(jié)構(gòu)的龍門(mén)架安拆靈活方便、迅速，整體安、拆作業(yè)時(shí)間比傳統(tǒng)龍門(mén)架短，施工速度快，節(jié)省人力成本，大幅度縮短工期。

4.4 使用過(guò)程安全可靠

傳統(tǒng)龍門(mén)架的上下爬梯通過(guò)鋼筋焊在龍門(mén)架立柱上，改進(jìn)后的螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架選擇專(zhuān)業(yè)爬梯，再通過(guò)螺栓連接方式將專(zhuān)業(yè)爬梯與龍門(mén)架立柱連接。改進(jìn)后的連接方式保證作業(yè)過(guò)程中的安全距離，使腳可以完全踩到爬梯上，避免傳統(tǒng)龍門(mén)架爬梯踏板窄往往只能腳尖著落在踏板上，保證人腳不踏空，提高上下爬梯作業(yè)人員的安全系數(shù)。

螺栓連接預(yù)制龍門(mén)架對(duì)電力線(xiàn)路做了專(zhuān)門(mén)的穿線(xiàn)管，且穿線(xiàn)管設(shè)計(jì)位置統(tǒng)一。電力線(xiàn)路穿線(xiàn)管設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足電力安全操作規(guī)程規(guī)定，解決電力安全操作規(guī)程規(guī)定的施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電電纜線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)要求。穿線(xiàn)管的設(shè)計(jì)避免了作業(yè)過(guò)程中電力線(xiàn)路暴露在作業(yè)環(huán)境中，降低了線(xiàn)纜破損引發(fā)的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

減少各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，螺栓連接結(jié)構(gòu)保證龍門(mén)架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前螺栓連接龍門(mén)架已經(jīng)在電力工程實(shí)施，有效解決了現(xiàn)有龍門(mén)架運(yùn)輸困難、安裝復(fù)雜問(wèn)題，提高了作業(yè)效率，降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，安裝靈活方便，安裝進(jìn)度快。

后期通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程的不足、不合理之處信息，持續(xù)改進(jìn)完善。