谈大型钢结构通廊吊装设计方案优化

胡献民

(中钢集团工程设计研究院有限公司，北京　100080)

谈大型钢结构通廊吊装设计方案优化

胡献民

(中钢集团工程设计研究院有限公司，北京100080)

摘要:结合某工程的实际情况，比选了大型钢结构通廊吊装及吊机方案，阐述了吊装的技术措施，并从吊点位置、荷载、钢丝绳等方面，计算分析了吊装的设计方案，经实践证明该吊装方案保证了施工的安全性与经济性。

关键词:通廊桁架，吊装技术，钢丝绳，支架

1　工程概况

某钢铁公司2 580 m3高炉采用并罐式无料钟炉顶设备，皮带机上料。上料系统主皮带通廊总长约271 m，横断面轴线尺寸为宽4.4 m×高4.7 m(外包尺寸5 m×5 m)，工程结构总重851 t。通廊结构为平行弦桁架，弦杆为焊接H型钢，端竖杆为H型钢，其余腹杆为H型钢和普通型钢断面;四组支架除RA4为钢管(螺旋焊管)柱三角支架外(固定支架)，其余为单片支架; RA2支架柱为H型钢断面，其他支架柱为螺旋焊管断面。通廊共分五组，仰角11.688 8°，上弦最低标高18.5 m，最大标高74 m，支架底座底面标高5.15 m。通廊及支架尺寸，重量见表1。

表1　通廊及支架尺寸、重量表

由表1可知，其中通廊RA8最长且最重，自然吊装难度最大。本文主要通过分析解决RA8通廊安装方案的技术问题(施工组织、安全措施、常规的工机具等在本文中从略)。分析大型钢结构吊装设计方案的选择与优化，从而确保达到安全性、经济性与快速性的统一。

2　安装方案的优化选择

可供选择的方案有两种:

方案一:通廊桁架在制作场地制作好，分片、分段运至安装场地，组装成两片平面桁架，依次将平面桁架吊装到位，找正固定后，再在高空将平面桁架通过水平桁架构件连接成空间桁架，形成通廊，随后再安装走道、栏杆、围护结构等。

方案二:通廊桁架在制作场地制作好，分片、分段运至安装场地组装成通廊(空间桁架)，整体吊装。为减轻吊装重量，通廊走道、栏杆、围护等辅助构件暂不安装，待通廊吊装就位后再安装。

比较此两种方案:

第一种方案吊装件重量轻，可选用较小的吊机和吊具，但是每片平面桁架吊装到位后，其调整找正和稳定难度较大，高空作业量较大，安全风险较大，且要准备大量稳定桁架用的钢丝绳、卡环、地锚、导链等材料和工机具，现场要占用的劳动力和材料、工机具较多，安装工期较长。

第二种方案吊件重量大，需选用起重量大的吊机和配套吊具，吊装作业方案必须精细，现场操作要求较精准。但此方案避免了第一方案的缺点，既能大大减少高空作业量、现场占用的劳动力、安装用材料和工机具，且能有效地缩短吊装工期。

根据当时项目部和当地资源状况，权衡两种方案各自利弊，决定采用第二种方案。

3　吊机选用方案的优化选择

根据通廊重量、几何尺寸、吊装高度、场地状况及项目部已有的吊机和当地吊机资源，考虑以下两种方案:

方案一:利用一台500 t汽车吊和一台300 t的汽车吊实施双机抬吊。采用此方案吊机起重能力较为富余，两台吊机机型相似，额定起重量相近，作业方案和现场操作按常规即可，安全系数较大。但两台均为大起重量的吊机，吊机租赁费用大，而现场自有的一台150 t履带吊却“吃不饱”。此方案显然不符合经济原则。

方案二:现场项目部已有一台150 t的坦克吊，可加以利用，故可采用一台500 t的汽车吊与150 t坦克吊实施双机抬吊。此方案充分利用了现场资源，大大减少了吊机租赁支出，节约了施工成本，而且履带吊可在吊装场地负重缓慢行驶，利于吊件就位。但此方案吊机的起重能力余量较小，且因两台吊机机型不同，额定起重量相差悬殊，故对吊点位置、站车位置和行走路线、吊件摆放位置、吊件运行轨迹等必须进行精准设计计算，吊车操作也必须加倍谨慎，就位失败和安全风险相对较大。如若一次不能吊装到位，必须卸下吊件，重做方案，更换吊机或减荷，实施二次吊装，所需时日难以预计。而每延误1 d，将浪费吊车租赁费数万元，而且拖延了工期。如出现安全事故，其损失更为惨重。

方案对比分析:

考虑到第一方案的增大施工成本的缺点是必将发生的，无法避免。租赁大吊机，必须付出租赁费，施工方无法控制。而第二方案的缺点是与人的技术水平、责任心、工作精细与否相关的，是人为的，可通过精心设计和谨慎操作克服，是施工方可控的，是可避免的。故最终选择第二方案。

因通廊“重、大、长”，从制作场地到安装场地整体运送通廊非常困难，故宜在安装场地组装。组装通廊的位置需顾及两台吊车的站车位置。

4　吊装技术措施

1)仔细阅读主皮带通廊施工图，准确掌握与吊装相关的数据。精心编制方案作业，并绘制必要的平、立面图。

2)认真分析吊车、钢丝绳、吊件受力情况，正确绘出计算简图，以便进行各项设计计算。

3)认真对施工人员(特别是吊车司机)进行作业方案交底，对每个细节都经过充分讨论，做到人人都知道为什么要这样做，应该怎样做。

4)加强现场技术管理，强调必须按设计作业方案，站车位置经实测实量，场地标高、承载力应符合设计要求，钢丝绳、卡环、倒链等工机具规格符合设计，且不影响强度的损伤。

5)钢丝绳与吊件连接采用捆绑式，为减少起重臂长度，吊点设置在两侧桁架下弦节点，每台吊机设置两个吊点，每吊点与吊钩间为两根钢丝绳，吊点处钢丝绳用卡环连接。钢丝绳从通廊内向上穿出。钢丝绳捆绑节点处用密排木方将钢丝绳与钢结构隔离，以防钢丝绳勒伤桁架下弦。

6)吊装场地为老土，承载力大于250 kPa，能满足吊车行走和站车要求。场地标高大体为设计标高±0.000。用矿渣填平局部低洼处，并找平压实，确保场地平整。因为通过电脑绘图知，在通廊提升到最高处时，150 t吊机的吊臂与通廊净距较小(不到1 000 mm)，故在150 t坦克吊站车范围用矿渣垫高300 mm，并铺设路基板，以保证吊车负重移车平稳和增加起重臂与吊件间的距离，防止意外“卡杆”。

5　吊装设计方案计算

1)吊点位置确定。先计算吊件重心位置。重心在水平方向的坐标由下式计算:

其中，mi为第i构件的质量; xi为第i构件重心的水平方向的坐标; n为构件个数。

由于该通廊桁架杆件沿水平方向均匀布置，而且纵向、横向均为正对称，可确定重心在对称轴上，可免于进行繁琐计算。

再根据两台吊机的额定起重量之比为500/150 =3.3，150/500 = 0.3。同时考虑到要避免吊点外桁架悬臂部分太长而使上下弦产生过大应力，则可将500 t吊机的吊点设置在第5个下弦节点处(自左端起算)，离重心为3个节间距;将150 t吊机的吊点设置在桁架右端部下弦节点处，离重心为7个节间距，二者力矩臂之比为3/7 =0.435。两台吊机起重量之比与力矩臂之比虽不正好成反比，但是可以通过荷载计算确认荷载分配是否在吊机的起重能力范围内。

2)荷载计算。由通廊有关数据表知，RA8通廊自重171 t。为减轻吊装荷载，现场组装时，走道、栏杆及围护结构均未安装，实施吊装的通廊重量为113 t。

吊车由桁架自重产生的荷载:

设500 t吊机承受的荷载为Fa，150 t吊机承受的荷载为Fb，二者吊点离桁架重心的距离分别为La，Lb，桁架节间距为d，则La=3d，Lb=7d。

根据平衡条件得:

解式( 1)，式( 2)得:

在确认吊车选型时，还需考虑吊具的重量。

3)钢丝绳内力计算。钢丝绳受力计算的计算简图及与之相关的吊钩受力图(平面汇交力系)、平衡条件(自行封闭的力多边形)如图1所示。

图1　钢丝绳内力计算示意图

500 t吊机的钢丝绳:

现场已有钢丝绳长15 m，绕过吊钩对折后从吊钩到吊点长7 m，钢丝绳与竖直方向的夹角α= 18.3°，cosα= cos18.3°= 0.949 4，由平衡条件得每侧(两侧钢丝绳对称，拉力相等)钢丝绳拉力为:

每根(每侧两根钢丝绳，拉力相等)钢丝绳拉力为:

150 t吊机的钢丝绳:

钢丝绳长度、夹角同上。

由平衡条件得每侧钢丝绳拉力为:

每根钢丝绳拉力为:

4)钢丝绳选用。钢丝绳破断拉力总和Fg按下式计算:

其中，［Fg］为允许拉力; K为安全系数，通常取8～10，此处取8。

此作业设计方案中，以钢丝绳的工作拉力作为允许拉力［Fg］，按上述公式计算破断拉力总和Fg，再查钢丝绳规格表选择钢丝绳。

500 t吊机选用钢丝绳:查钢丝绳规格表知，需选用公称抗拉强度为1 813 MPa的钢丝绳，6×37 +1型，直径56 mm，其破断拉力总和为2 131.5 kN。150 t吊机选用钢丝绳:

查钢丝绳规格表知，需选用公称抗拉强度为1 813 MPa的钢丝绳，6×37 +1型，直径36.5 mm，其破断拉力总和为912.87 kN。

根据钢丝绳的最大拉力和钢丝绳的规格，查卡环规格表，确定500 t吊车的钢丝绳选用起重能力为32 t(卡环本体直径d = 74 mm)的卡环，150 t的吊车选用起重能力为16 t( d =52 mm)的卡环。按公式［Q］= 40d2(［Q］为容许荷载，N)验算，满足强度条件。

5)吊装状态桁架验算。由于桁架吊装时的荷载(仅有自重，且未安装走道、栏杆及围护结构)远小于正常工作时的荷载(全部自重，还有设备重量及工料重量，且受动载作用)，再由于桁架工作时为简支，而吊装时为外伸结构，桁架安装时的内力肯定远小于其设计内力。

以de杆为例(两片桁架共同工作) :

设de杆的内力(拉力)为Nde，以a—a右侧部分作为脱离体，可得:

一片桁架的上弦最大拉力只有656.3/2 = 328.1 kN，远小于设计内力5 556 kN。

勿庸置疑，吊装状态下，其他杆件的内力也必然远小于设计内力。因此，在此例中，不必进行吊装状态下的强度、刚度、稳定性验算。

6)吊装平面图和立面图。认真阅读施工图，掌握吊件(通廊桁架)的重量、几何尺寸(主要是外包尺寸，长度、宽度、高度)、起吊高度，计算出吊车荷载，踏勘吊装现场的基础上，根据吊车性能表，选择起重臂长度，回转半径，确定站车位置。对150 t履带吊，还需确定其运行路径。根据以上数据，绘出吊装平面图和立面图。必须按实际尺寸、按比例绘制，以便确认吊件从起吊到就位于支架上的全过程通廊运行轨迹，确保吊件上升、平移、旋转无阻，不出现吊件不能准确落位和“卡杆”等问题。

6　实施结果

按此吊装作业设计方案进行RA8通廊吊装，吊装过程顺利，从吊车进场，站车，安装配重，挂钢丝绳(包括构件裹装保护物)到起钩，观察吊机负重状态，升钩，调整倾斜角度，吊件就位，找正，固定，只用了半个工作日。实践证明，此吊装作业设计方案符合科学性、可行性，安全、经济、可靠。

针对吊件重( 113 t)、大(横断面外包尺寸5 m×5 m)、长( 66 m)、高(吊56 m)，两台吊机机型不同(一台为汽车吊，另一台为履带吊)、额定起重量相差悬殊( 500 t和150 t)的特定状况，此吊装作业设计方案较为精细，以致施工过程安全，吊机起重能力得到充分利用(每台吊机的荷载与其在图示工况下的起重能力十分接近)，避免了盲目追求“超安全”而不惜浪费资源，以致吊机选用机型过大的弊端。

正因为如此，随后的几段通廊吊装安装也参照了此吊装作业设计方案(只根据其他各段通廊与RA8的不同处略作修改)，确保主皮带通廊的安装安全、顺利完成。

On optimization of vestibule hoisting design scheme of large-scale steel structure

Hu Xianmin
( Sinosteel Engineering Design＆Research Institute，Beijing 100080，China)

Abstract:Combining with the fact of some project，the paper compares the vestibule hoisting and crane scheme in large-scale steel structures，illustrates the hoisting technical measures，analyzes the hoisting design scheme from the hoisting location，loading，and steel wire rope，and proves by the practice that the hoisting scheme ensures the safety and money-saving feature of the construction.

Key words:vestibule，hoisting technique，steel wire rope，support

作者简介:胡献民(1961-)，男，高级工程师

收稿日期:2015-11-25

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0099-03

中图分类号:TU758.1

文献标识码:A