造船厂龙门吊提升支架设计与探讨

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全（中国建筑西南设计研究院有限公司，成都　610041）



造船厂龙门吊提升支架设计与探讨

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全
（中国建筑西南设计研究院有限公司，成都610041）

摘要：该文结合某造船厂龙门吊提升支架的设计，对索-桁架结构的设计方法进行初步探讨，主要从设计思路、分析方法和安装施工三方面阐述，提升支架设计的合理性。

关键词：龙门吊提升支架；标准化；几何非线性；索-桁架结构

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

龙门吊是船厂起吊货物所必需的生产设备，然而，普通龙门吊的大梁和支腿往往重达数千吨，体形也非常庞大，并且龙门吊往往要提升到上百米的高度，若用一般的起重机械，不仅不经济，而且还非常的不安全。为了解决这个问题，就必须根据实际情况和工程需求合理设计龙门吊提升和安装用的大型龙门吊提升支架。2001年上海某造船厂龙门吊安装的倒塌事件进一步告诉我们，提出一套合理的大型提升支架设计方法势在必行。

龙门吊提升支架的结构体系由两榀门式提升支架及张拉其上的12根缆风绳构成，12根缆风绳和两榀门架组成一个整体共同承受工作状态下的水平和竖向荷载，结构体系的立面布置详见图1。塔架总高度123.4m，塔架跨度20m，两副门架相距100m。门式提升支架的柱子为四边形格构式缀条柱，柱脚中心距4.2×4.2m，4个柱肢各自与地面铰接，使柱整体与地面形成刚接；提升大梁为箱形管，高3.4m，梁与柱连接方式为铰接。

图1　提升支架立面图

龙门吊大梁是提升支架结构体系的重要组成部分，提升支架所承受的大部分风荷载和水平荷载都是通过它传到支架受力体系上的，设计时应该认真对待。龙门吊大梁全长200m，宽10m，高11m，达到预定高度后其底面距地面100m，合计标准重5000t。

1　提升支架的设计思路

龙门吊提升支架的结构形式为带缆风绳的门式塔架体系，其特点是高度对门架柱横截面尺寸比例很大。由于起吊重量的限制，横向水平风荷载将起到决定性作用。

减少风荷载对节约材料、结构体系的受力有重要意义，应尽量简化构造，减少迎风面积。风荷载与结构高度、横截面尺寸、构件形式等有关。因此合理确定结构的立面形式及几何尺寸，正确选用构件的截面是龙门吊提升支架设计的重要步骤。

选取结构形式时，宜对各种结构方案进行技术、经济、安全、方便现场施工等方面的比较，以求进一步节约材料、降低造价、提高安全度、加快施工进度。为了降低结构的施工费用，应采取构造简单的结构，并使结构标准化和统一化。

1.1提升大梁的设计

对于龙门吊提升支架大梁的设计，通过几种结构形式方案的比较，最终选用两根宽1.2m，高3.4m的箱形大梁作为提升大梁。两根箱形大梁端部相连，每根大梁用法兰按等强度原则拼接，以保证大梁的连续性，箱形大梁内部按规范要求设置纵向和横向加劲肋。提升大梁示意图详见图2。

图2　提升大梁示意图

1.2提升支架柱的设计.

提升支架柱为四边形格构式缀条柱，起初的考虑是提升支架柱肢每段的长度以运输长度为限，现场用法兰接长，缀条在现场用法兰连接。这种方法现场作业量大，结构质量很难保证。

为了降低造价，加快施工进度，尽可能多的工作应在工厂完成，减少现场作业。为此，对前面所做的设计方案不断改进，根据龙门吊提升支架本身的特点，将其划分为若干标准节，在工厂按节生成，运到现场后用螺栓连接将各节组装成提升支架柱。根据塔架高度和提升支架柱平面尺寸，将提升支架柱划分为1个底节、17个标准节和1个顶节，底节和标准节高6m，顶节高12m，各节如图3所示。提升支架柱现场拼装时，只需将柱肢各节依次就位，然后用套筒和螺栓连接。为了上、下节钢柱安装就位，在下节钢柱内焊接一道就位钢管，安装时将就位钢管伸入上节钢柱内，然后用8个M30长螺栓穿过焊接于钢柱外圈的Φ60/14套筒并拧紧。

图3　提升支架柱标准节划分

提升支架柱按这样设计，可以根据需要通过增加或减少标准节来调整门架的高度，达到多次重复使用的目的，具有很高的经济价值。

2　提升支架体系的计算分析

2.1提升支架体系的简化分析

提升支架体系通过门式支架和缆风绳的共同作用来承受外荷载，体系的受力情况很复杂，精确计算并不容易，初步设计时，为了简化计算，可以只考虑主要的影响因素而忽略次要的因素，对结构的受力体系进行简化，以方便我们的计算。

门式支架的柱肢和提升大梁铰接连接，支架两个柱肢的受力状态基本相同，计算时，两个柱肢可按照刚度和面积相等的原则换算成一根弹性竖杆。缆风绳沿空间布置，其受力情况比较复杂，精确计算比较困难。初步计算时可以忽略背风向和侧风向的缆风绳，这些缆风绳受力较小，对体系的受力状态影响不大，而只考虑迎风向的缆风绳，这根缆风绳是主要的抗风构件。

经过以上的处理方法，简化后的结构计算模型如图4所示。

图4　简化后的结构计算模型

2.1.1单根缆风绳的受力分析

由于纤绳的非线性工作性质，精确计算纤绳受力是比较困难和费时的，于是便有了适用于各种情况的近似方法。为了简化计算，常常作下列假定:

（1）纤绳垂度与纤绳弦长之比相当小。通常情况下，纤绳垂度小于纤绳弦长1/10，属于小垂度范围，这一假定符合工程实际，对实际工程有足够的精度。

（2）作用在纤绳上的所有荷载都是均布的。这一假定对纤绳采取了以抛物线代替悬链线的近似形式，其误差也不大。

（3）单根纤绳受力计算时不考虑平行于纤绳弦向的荷载。通过计算比较，忽略弦向荷载的作用，其解与精确解差别不大，满足工程的精度要求。

图5　纤绳计算的基本图形

计算纤绳时，先假定纤绳两端固定，纤绳受到垂直于弦向的均布荷载作用，根据柔索原理得到纤绳垂度fi和纤绳悬垂线的曲线长度Li的计算公式[1]：

式中:

qi——纤绳弦向均布荷载；

li——纤绳跨长；

Si——纤绳弦向张拉力。

根据纤绳弦向长度变化和受力状态之间的关系可得如下的纤绳公式[1]：

式中：l0为纤绳初始状态的弦向长度；△l为纤绳弦向长度的增量；q、q0为纤绳工作状态和初始状态时垂直于弦向的均布荷载；S、S0为纤绳工作状态和初始状态时的弦向张力；E为纤绳材料的弹性模量；A为纤绳的有效截面积；ε为纤绳材料的温度线膨胀系数；t、t0为纤绳工作状态和初始状态时的温度。

由式(3)可知纤绳弦向力与弦向变形△l是三次方的曲线关系，表现出非线性的工作性质，纤绳方程求解时须通过迭代反复计算，才能求得弦向变形值△l与纤绳弦向张力S的对应关系。

2.1.2简化体系的受力分析简化结构体系的外荷载由纤绳和弹性竖杆共同承受，纤绳和弹性竖杆共同作用的机理非常复杂，要将纤绳和弹性竖杆作为一个整体来分析比较困难，须进行简化计算。简化计算模型如图5所示，计算时可将纤绳和弹性竖杆分别进行计算，然后利用顶节点处纤绳和弹性竖杆的水平位移相等的几何条件联立求解。计算时首先假定一合理的柱子变形曲线，假定纤绳节点的初始水平位移值为y1s，计算纤绳的弦向张力值，将此张力反向施加于弹性竖杆，计算弹性竖杆在竖向和水平荷载作用下的水平位移值y1z，倘若y1s≌y1z，可认为此位移值即为结构体系的实际位移值。否则，令y2s=ylz，继续计算弹性竖杆位移y2z，如此反复进行，直到yns≌ynz，利用此位移值即可求得纤绳和弹性竖杆的内力。

2.2提升支架体系的非线性分析

龙门吊提升支架体系由门架柱、提升大梁和缆风绳组成。门架柱为空间格构式桁架，其弦杆连续，腹杆和横杆铰接于弦杆上，在很大的竖向和水平向荷载作用下，所有杆件受力均以轴力为主，弯矩、剪力和扭矩所占比例非常小，可以忽略不计，所以门架柱计算模型可简化成空间桁架结构。提升大梁由两根大的箱形管构成，起吊时提升荷载直接作用在提升大梁上，在大梁中产生很大的剪力和弯矩，可以将大梁简化为简支梁，直接作用在门架柱顶。由于索只能承受轴力，可以将索定义为只拉单元。由于缆风绳的对称布置，两榀门架的受力基本相同，提升支架的计算模型可取一榀门架研究，如图6所示。

2.2.1缆风绳的选择

主索选用外径Φ65,6x37 (钢丝Φ3.0，A=1568mm2，自重1465kg/100m)；副索用外径Φ56,6x37(钢丝Φ2.6，A=1178mm2，自重1107kg/100m)；抗强风钢索同主索，塔架自升临时缆风绳同副索，所用钢丝绳公称抗拉强度均为1670N/mm2，弹性模量E= 1.2x105MPa。每根缆风绳所需钢丝绳根数和其它相关参数如表1所示。

表1　缆风绳参数

表2　提升支架设计主要工况及控制荷载组合

2.2.2支架体系的加载

由于龙门提升架为临时结构，计算时只考虑一种荷载组合: 1.2恒载+1.4吊重+1.4风载。塔架内力分析考虑四种工况，见表2。

图6　龙门吊提升支架计算模型

对每种工况，提升支架所受风荷载均应考虑三种风向，即横向、纵向和45°风向。第四种工况中龙门吊大梁所受风载由专用缆风绳承担，仅缆风绳拉力的竖向分量作用于提升支架上。用3d3s进行分析时，风荷载用杆件导荷载，塔架分为10段，每段的风振系数和风压高度变化系数按实际高度取值，体形系数取1.2。龙门吊大梁的自重荷载作为均布荷载作用于门架大梁的中部；承受的风荷载按实际风向采用集中力施加于门架大梁上。

2.2.3非线性静力分析

门架柱、缆风绳计算的控制截面和控制点的取法如下:

（1）门架柱柱肢内力，取门架柱底节的四根柱肢作为控制截面。

（2）门架柱斜杆内力，取门架柱底节的交叉斜杆作为控制截面。

（3）腹杆内力，取计算结果中内力最大值的腹杆为腹杆的控制截面。

（4）横杆内力，取计算结果中内力最大值的横杆为横杆的控制截面。

（5）门架柱柱身位移，取门架柱顶节的顶点作为位移控制点。

（6）缆风绳张力，根据风向分别取各风向主缆风绳的张力。

（7）缆风绳位移，取主缆风绳上部连接节点处的位移。

3　钢结构的现场安装和拆卸

3.1钢结构的安装

鉴于上述标准化的结构设计思路，钢结构的现场安装可以参考建筑工地施工塔吊的安装方法，以加快现场施工的进度，提高施工的质量。

设计一提升套架，其顶端与门架柱顶节牢固连接，套架下部内侧设置多个滑轮，可以沿已经安装就位的门架柱节滑动。

安装时，先用吊车在两个塔基上面安装好底节、两个标准节、顶节、提升套架和承重小梁，形成两个稳定的四边形塔体。将已经在地面拼装好的两片脚手架吊装就位，并在两片脚手架之间按照设计位置固定两根支撑梁[28。然后分六段吊装两根提升大梁，大梁边段一端搁置在支撑小梁上，另一端搁置在[28支撑梁上，大梁中段梁端均搁置在[28支撑梁上。大梁就位并测定位置后用法兰连接螺栓紧固，箱形大梁内侧法兰螺栓则由梁端平台进入箱形梁内侧紧固。最后连接好提升大梁和支承小梁之间的紧固螺栓，并在其间装橡胶垫板，固定好大梁之间以及大梁与脚手架之间的连接板件，在设计位置焊接好牵绳连接板，准备按照塔吊安装方法进行施工。

顶升外套架，连同门架柱肢顶节、提升大梁和脚手桁架等一起爬升，每次上升3m，两次安装一个门架柱标准节，两个门架柱同时提升。标准节装入后及时用螺栓固定，每安装一个标准节均要对门架柱的标高和垂直度做测定、调整，保证安装的质量。

当大梁顶超过78m时，在套架底约60m高的门架柱节点上四面用临时缆风绳固定，继续顶升外套架。当顶升达到设计标高后，按设计要求的工作状态连接、张拉缆风绳。同时调整两座塔的垂直度，使两座塔的垂直度偏差在X、Y方向均小于30mm。缆风绳的预应力值应分几次逐步对称调整到设计值，最终缆风绳预拉力偏差控制在设计值的10%之内，此时门架柱的垂直度标准同时满足。

检查所有的螺栓连接质量及安全措施。逐步放松60m高度处的临时缆风绳，并观测变形值的变化，做出适当的调整，并在提升大梁上固定千斤顶梁和千斤顶，完成一副门架的安装。一切就绪后按照前面的步骤开始安装另一副门架，形成完整的结构体系。

3.2钢结构的拆卸.

龙门提升架属于临时结构，钢结构安装完成后开始提升5000t龙门吊大梁，龙门吊形成自身的结构体系大约需要15d时间，之后就要拆卸钢结构提升架。

龙门吊提升支架拆卸时，先恢复60m高度处的临时缆风绳，架起[28支撑梁，拆除龙门吊提升支架顶部的工作状态受力缆风绳。拆卸提升大梁的连接螺栓，将提升大梁拆分成六段，分段吊装降落到地面。再将脚手桁架从门架顶拆除，拆分成两片，分片降落到地面。

拆除掉门架顶的提升大梁和脚手桁架后，利用门架柱顶端的套架和顶升千斤顶等自升设备按照安装时的方法，向下逐段拆除标准节。当套架下端接近60m处缆风绳时，拆除该高度处的四向临时缆风绳，然后继续向下逐段拆除标准节，直到最后剩下底节、两个标准节和顶节。最后用吊车拆除外套架、门架柱顶节、两个标准节和底节，完成整个龙门吊提升支架的拆卸。

4　结语

龙门吊提升支架的结构体系由两榀门式提升支架及张拉其上的12根缆风绳构成，12根缆风绳和两榀门架组成一个整体共同承受工作状态下的水平荷载和竖向荷载。

分析龙门吊提升支架这类高而细长的索-桁架混合结构时，可以将支架和缆风绳作为一个整体，计算两部分之间的相互作用，并充分考虑支架的P-△效应和缆风绳的非线性特征，必要时还需要考虑结构塑性的发展。

提升支架作为临时结构，一个龙门吊提升完成后就要拆卸，设计时必须考虑安装、拆卸的方便性以及支架多次使用的可能性。将提升支架柱身设计为一个底节、一个顶节和多个标准节，每一个节段各杆件之间用螺栓连接，不仅安装和拆卸非常方便，而且可以多次重复利用，具有很好的经济效益。

参考文献：

[1]王仕统，姜正荣，谢京.索－桁结构的设计参数探讨[J].建筑结构学报，2001(5).

责任编辑：孙苏，李红

作者简介：周全(1983-)，男，四川巴中人，研究生，一级注册结构工程师，主任工程师，从事建筑结构设计。

收稿日期：2016-01-12

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.021

中图分类号：TU391

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）03-0021-04