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浙江省電力生產調度大樓巨型轉換桁架的吊裝施工

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （杭州大地網架有限公司 何永泉 周大干 方順生 張妙林 居榮初）

    [摘 要] 本文擇要介紹了浙江省電力生產調度大樓在施工中難度最大的三榀巨型轉換桁架的吊裝方案的形成和實施過程。并扼要介紹了吊裝設備的制作和試驗結果。?
    [關鍵詞] 轉換桁架、桅桿〖

    一、建筑概述?
    浙江省電力生產調度大樓位于杭州市教工路延伸段（黃龍路）與西溪路交叉口的東南側，為浙江省重點建設工程。由浙江省電力公司投資興建，設計單位為浙江大學建筑研究設計院，施工總承包單位為浙江建工集團，鋼結構部分則由杭州大地網架制造有限公司負責制造和安裝。工

    程占地面積20畝，南北長約165m，東西長約80m。建筑物地上14層，地下3層，總建筑面積85689m2（其中地上59269m2，地下26420m2），總用鋼量為3000余噸，建筑總高度65.4m（局部69m），工程總投資約6.5億元人民幣。地下室采用全現澆鋼筋混凝土結構，主體上部采用現澆鋼筋（型鋼）混凝土框架??剪力墻結構。吊裝全貌見圖1。?
    二、鋼結構轉換桁架安裝探討?
    由于建筑功能的需要，該建筑中包括三榀巨型轉換桁架，它們分別位于縱向A軸、B軸、C軸，橫向10軸～18軸，安裝難度很大。?
    （1） 編號HJ1桁架，跨50.515m、寬0.7m、高8.6m、重191t，安裝位置在10軸～16軸、基礎標高38.17m。?
    （2） 編號HJ2桁架，跨40.15m+16.55m、寬0.7m、高8.6m，重188t、安裝位置在10軸～15軸～軸。安裝基礎標高38.17m。?
    （3）編號HJ3桁架，跨50.515m+24.65m、寬0.7m、高8.6m、重197t，安裝位置在10軸～15軸～18軸，安裝基礎標高38.17m。?
    全部桁架均在工廠制造和試拼裝。但在現場安裝過程中，卻遇到了很大的困難。由于施工場地狹窄擁堵，施工時拼裝架設難度很大。?
    由于工期較緊的原故，土建施工日夜趕工，交叉施工情況時有發生。即使在吊裝作業區內還有鋼筋加工場和堆放建材,施工擁擠現象十分嚴重。?
    建筑物的東向緊靠著居民住宅區?
    南面馬路邊就是市體委?
    西面臨黃龍路?

    為此，甲方、設計院、施工單位、監理單位及我公司有關技術人員經多方研究，深入分析后形成了三個可行方案，而最終又優選第三方案作為實施方案，每個方案均有一定特點，現將它們簡單介紹如下：?
    2.1 一號施工方案?
    先搭建一座高位的承重拼裝平臺，使用大噸位的液壓汽吊把散件吊到平臺上，進行組裝，實施組裝、就位、焊接一體化的施工方式。?
    一號方案必須的條件是：?
    （1） 土建全面地退出桁架的安裝區域。?
    （2) 在安裝位置搭設一座長70m、寬30m、高45m的承重工作臺架，共計：94500m3，按每平方米m2耗鋼20kg，合計用鋼1890t。?
    （3)下設承重支點20個，每點承受荷重≥1300KN，這對有地下層的建筑來說，肯定是不允許的，必須進行臨時的基礎加固。?
    （4）吊裝設備的選擇?
    采用AC300型（線圈）300t液壓汽吊。?
    桿長59m全伸，100t平衡配重全加滿，工作半徑8m，能吊重25t。?
    （5)綜合以上情況，不難得出以下結論。就是說我們的轉換桁架是不能一步到位的，還須在平臺上拼好后作整體的水平移位后，才能到達安裝位置，擱置到基礎上，而且至少得移位二榀桁架。?
    （6) 由于轉換桁架在高空組焊拼接，工程質量大大地受到影響，操作者的勞動強度大大提高，安全生產的隱患極大。?
    （7）必須延長工期，不能滿足工程進度的總體安排。?
    （8) 大噸位的起重機械不能發揮其長處，不能提高機械的使用效率，起重成本大幅度的提高，估計安裝費用計：2500萬元。?
    2.2 二號施工方案?
    采用地面拼裝焊接，整體吊裝提升。（液壓提升技術）到達設計標高后，再進行橫向水平移位，到基礎上再安裝就位。實施的必須條件是：?
    （1) 必須專門設計，制造和架設好鋼結構的提升支架和水平移位的高空滑道和支架橫梁等，約用鋼村300t。?
    （2) 購置液壓提升設置8套，每套起重量50KN，水平推移液壓裝置2套，中心油泵設置、電子監控裝置等，提升承重鋼線等。?
    （3）土建要讓出38m層面的大部分施工區。?
    （4)液壓提升的速度很慢，每榀轉換桁架要大約二天的時間才能到位，桁架的水平移位又需要一天時間，不但施工期長，而且構件須懸吊過夜，安全性存在缺陷。?
    （5)操作人員在高空平臺上作業，對設備機具的要求高，油路管線壓力高，必須嚴密、可靠。估計安裝費用：1000萬元。?
    2.3 三號施工方案?
    離地500mm處搭設胎架，在胎架上拼裝2裝架，采用雙桅桿抬吊，水平移位的過程由桅桿傾斜幅度的調整來完成，使轉換桁架吊裝升空后，進行一次性的基礎就位。?
    實施的必須條件是：?
    （1） 專門設計、制作2根高60m，額定吊重1200KN的桅桿。?
    （2） 加固二支桅桿的基礎。?
    （3）密切與土建配合，實施穿插施工法，避免交叉立體施工。?
    （4)購置10t電動卷揚機4臺，800KN起重滑輪，鋼絲繩等。估計費用200萬元。?
    針對以上轉換桁架吊裝的三個不同方案。我們進行了認真的分析、比較，大家認為，三號方案的可行性比較大，同時也符合現場的實際情況，比較科學和經濟。?
    （1) 桁架整體在地面拼裝，對質量、對安全都有可靠的保障，對縮短工期也有很大的意義和作用。?
    （2) 大幅度降低了操作工人的勞動強度，將高空作業變為地面作業，降低了安全生產的風險性，加強了對勞動者的保護，著重于以人為本，推動了和諧社會的建設。?
    （3）節約了大量的鋼材消耗，免去超重型鋼結構承重架的搭設。?
    （4）較大程度地減少了對地基加固的工程量。?
    （5)壓縮了施工期，避免了與土建爭施工、搶場地的局面。減少了相互干擾施工的不安全因素。?
    （6） 節約了大量的大噸位汽吊的臺班費用。?
    （7) 與液壓提升和水平移位的鋼結構支承架來說，制作二根桅桿的鋼材消耗要減少很多，而且對設計、造來說也要簡單得多。?
    （8) 其次是設備的簡單化，液壓提升設備復雜，技術要求高，其中有較大部分是一次消耗的工具、材料，不能重復使用。而卷揚機、鋼絲繩、滑輪組就能重復使用，不受較大影響，從經濟角度來說比較合算。?
    三、吊裝桅桿的設計和試驗?
    3.1桅桿設計的要求和原則?
    由于我公司為鋼結構制造廠而非起重設備機械制造企業，因此起重桅桿的設計和制造已經超越了我們業務范疇。但是由于施工期緊迫以及經濟性考慮，公司領導決定自行設計、制造、試驗，以確保吊裝工作能順利完成。? （1) 為了減輕桅桿在組裝、拆卸勞動強度，同時為方便于運輸，設計的桅桿應達到起重量大，且自重要輕的要求。?
    （2) 要求桅桿的橫截面盡可能的小而又合理。做到小巧實用，又要結構簡單，節約鋼材。?（3）桅桿設計的長細比要合理。?
    （4）選用合理的安全系數?
    為了保證所設計的桅桿能夠正常的工作，應該通過對安全系數的確定，求得材料的允許應力。在一般條件下很難對桅桿在工作狀態下的外力和材質的內在因素作出十分精確的計算和估計。特別是桅桿在工作過程中的重力變化，角度的改變，速度的變化，風力荷載，慣性作用，材料的不均勻性等等。?
    材料的允許應力值，取決于安全系數的選用。安全系數選用過小，允許應力就要高，設計出來的桅桿可能就不安全，反之，如果安全系數過大，那么允許應力就低。這樣設計出來的桅桿雖然比較安全，但是會造成大材小用，不符合節約的原則。?
    因此，在既要保證安全，又能發揮材料的最大潛力的原則下，正確地選擇安全系數或允許應力是吊裝工程中重要而且又復雜的技術經濟課題。?
    在本工程中，吊裝的轉換桁架重量達2000KN左右，按照規范規定，對吊裝工件重量的大小分為四個等級：超大型工件質量為3000KN以上?
    大 型 工件質量為800～3000KN?
    中 型 工件質量為400～800KN?
    小 型 工件質量為400KN以下?
    很顯然，這次吊裝是屬于大型的起重吊裝工程項目。?
    一般對大型的吊裝項目，對工件的重量、形體、性質以及在吊裝中的特殊要求，和固定方法都是比較重視的。對工件在垂直吊裝過程中的每一處細節，都要仔細地研究分析，因此在計算上的誤差不會很大。而且，大型吊裝過程中，工件的提升速度不會很快，工件做到平衡。大型吊裝中使用的桅桿不是很頻繁，工作頻率很低。?
    因此，我們把這次工程中桅桿設計的安全系數確定為1?8。我們認為這1?8的安全系數是科學合理的，而且在以后的實施過程中也證實了我們的分析是正確的，是經濟合理的。?
    桅桿在工作時，它是個細長的受壓桿體，桅桿主體結構的內力主要是壓和彎的組合應力，因此，壓彎強度的計算不如穩定性驗算來得重要。?
    （1） 桅桿的幾何尺寸：?
    長60m，節距1?25m×48節?
    頭部截面800×800（mm） 中部截面1300×1300（mm） ?
    （2） 桅桿材質為Q235?
    型號為：主肢桿4根?200×200×16角鋼?
    腹桿?75×75×6角鋼?
    連接法蘭板30厚Q235鋼板?
    連接螺栓為M30×120高強螺栓 ?
    （3）技術參數?
    L0=612?i=5.98 w=13639cm3 λ=102.3?
    e=50cm A=248cm2 φ=0.59?
    （4）荷載?
    吊重1210KN，總荷載1660KN，允許應力［σ］=170N/mm2?
    （5）公式?
    M/W+N/φA≤［σ］?
    50×1210/13639+1660/0.59×248=157N/mm2 ≤［σ］?
    （6） 結論?
    從理論上講，桅桿雖然單側受壓，但是由于桅桿的傾斜受壓狀態和纜風繩的向下側壓力，其合力的作用力通過桅桿的中心與桅桿的軸線會產生一定偏距，會造成對桅桿的偏心受壓。另外桅桿的不垂直也可能引起桅桿的軸線與橫截面重心不重合，也會造成荷載的偏心距。因此，我們預先設立了一個較大的偏心距50cm，而在實際工作狀況時，桅桿的偏心距是遠遠達不到50cm的。?
    在驗算中就是達到了50cm的偏心距時，桅桿產生了極大的彎矩，但是驗算結論得出，桅桿即使在最不利的工作狀況下，也不會失穩，也是能保障安全可靠地工作的。?
    但是我們還得驗算桅桿的單肢桿抗壓。?
    肢桿長度1.25m 肢桿?200×200×16（mm） F=0.62m2?
    查鋼結構設計手冊表?200×200×16抗拉強度730KN,抗壓強度550KN?
    因此桅桿的單肢受力工作時不會失穩，是安全的。?
    桅桿的抗剪、抗扭強度驗算?
    腹桿?75×75×6 A=0.074m2 L=1.8m?
    查設計手冊?75×75×6 抗拉強度107KN 抗壓強度45KN?
    桅桿扭剪力44KN 斜桿扭剪力=63KN?
    每支腹桿扭剪力為: 63KN/2=32KN＜45KN?
    腹桿在桅桿工時是安全的。?
    3.2桅桿的荷載試驗?
    為了確保吊裝工程的順利進行。因此對桅桿進行一次靜載試驗是很有必要的。?
    靜載試驗是檢驗桅桿在滿荷載工況下的工作能力的可靠性，來觀察桅桿的總體彈性變形和各連接部位的可靠度。?
    試驗的方法一般是以其他重物替代試吊或是在試驗臺上測試的。?
    以上的兩種方式我們都無法實行。其一，我們不是專門從事桅桿制造的企業，沒有專門的試驗臺。其二，現場的場地太擁擠，無法堆積1500KN的鋼材，沒有空地。?
    所以我們專門設計了一個與現場實際符合的試吊方案。現場示意見圖3:?

    3.3 試驗過程?
    （1) 按工藝要求布置做好桅桿，重纜繩、錨點，起重滑輪組、卷揚機、吊耳、平衡梁及其他機具的架設。?
    （2） 經過嚴格的安全檢查程序。?
    （3）設置好試吊重物或注水容器。?
    （4)第一次試吊是額定負荷80%，起重繩按計算結果是100KN。以100KN的重物或在容器中注9m?3的水，加容器的重量10KN正好是100KN，拴在尾繩上。?
    （5)經安全檢查后，指揮發出命令，起動卷揚機，把重物或注了水的容器吊起懸空30cm，保持停止10分鐘，在停留時間檢查吊桿的各部分狀況，并對主纜繩及其他纜繩及錨點，卷揚機等都要進行檢查并記錄。?
    （6) 10分鐘后，指揮者再發出起升命令，啟動卷揚機，把重物吊高2～3m，立即放下重物，如此升降二次后，把重物放置在地面上。?
    （7) 繼續再做第二次試驗。應該吊重是額定荷載的110%，重物提升離地30cm，按理論計算，尾繩是120KN內力，如此升降重物三次，檢查是否安全。?
    （8) 最后進行第三次試吊，應該是額定荷載的125%，即1500KN。按計算尾繩的內力是140KN，即試吊重物應該是140KN。當卷揚機吊起140KN到30cm時停止。仔細觀察桅桿的頭部變化，整體的變形量，支座的變化狀態及主纜繩的受力和錨點的堅固情況，這時不再做升降動作。?
    （9）根據試驗觀察和記錄結果，評定出桅桿的安全結論。?

    四、轉換桁架HJ3整體吊裝簡介?
    本次吊裝共有三榀轉換桁架，即HJ1桁架長度64.8m、高8.6m、重1970KN;HJ2桁架長度56.7m、高8.6m、重188t;HJ3桁架56.7m、高8.6m、重1910KN。這里將以HJ3桁架為例說明整個吊裝過程。?
    4.1 主要吊裝設備及附屬措施?
    （1） 起重桅桿2支，自制格構式，長度1。25m×48節共60m，自重250KN/支，額定起重量1200KN。?
    （2） 桅桿底盤是槽鋼焊接件2.5m×2.5m與桅桿采用鉸支連接，方便傾斜變幅。?
    （3）起重滑輪H80-50D共4組，起重鋼絲繩6×37+1，直徑φ21.5，長度800m，共4根。?（4）起重卷揚機是電動慢速卷揚機，起重力100KN,提升速度10m/分。?
    （5）主受力纜繩是6×37+1，直徑φ36.5鋼絲繩，調節部分用H20-4D滑輪組變幅，滑輪使用直徑φ18鋼絲繩錨固點在G軸的砼柱上。?
    主纜繩調節動力是50KN慢速電動卷揚機。?
    （6） 其它次纜繩均使用6×37+1，直徑φ21?5鋼絲繩，調節使用50KN手拉葫蘆。?
    （7） 一根桅桿使用2套滑輪組吊裝，為了保持吊裝時間的受力平均在桁架的吊耳上，用平衡吊梁平衡重量。?
    （8） 第一次安裝HJ3桁架時，桅桿布置在B軸上，其中甲桿在12軸，乙桿在16軸，甲乙桿的吊裝方向都向西，桅桿向西傾斜10.5m，桅桿底盤都布置在下一層的柱頂上。?
    每根桅桿的纜風繩不少于6支，主纜繩2支，次纜繩4支。?
    （9)桅桿的上前方即黃龍路，不允許有跨路的纜風繩，因此只能在場地內設置重壓式錨點固定。?
    （10)桅桿的底盤下輔枕木一層，底盤四周使用直徑φ26鋼絲繩拉緊固定，以保持在桅桿受力工作時的底部不發生移位。?
    4.2 拼裝?
    HJ3因為體積超寬，道路交通也不允許整體分段運輸，所以構件只能以單件形式進場。?（1) 先把下弦桿三段按設計要求，墊放在胎模上調直，調整好起拱度，進行對接，焊接嚴格按工藝標準。?
    （2） 把豎桿按布置位置吊好，校正施焊，并支撐好斜桿。?
    （3）吊裝上弦桿到位，使桁架成為一個整體，再把腹桿對稱地吊焊上去。?
    （4）隨時進行測量和校正工件，以保證幾何尺寸的可靠性。?
    （5）在桁架地面拼裝時，除了使用H型鋼的4道斜撐外，還加布設了2對φ21.5的鋼絲繩纜風4支。加固穩定桁架，纜風繩采用50KN葫蘆收緊在砼柱上。?
    4.3〓鋼桁架HJ3的吊裝全過程?
    經過前一天的試吊后，于2004年10月30日上午8時許開始正式起吊。當日，天氣晴朗，無風，于9時10分安全就位。?
    （1) 按照預定的分工各崗位進入了角色，各自按照要求檢查了各自的作業范圍的安全狀況，都依次向總指揮報告，總指揮全面地了解了情況以后，認為一切情況屬于正常，發出了起吊命令。?
    （2) 起動了4臺100KN卷揚機，待HJ3桁架被吊分離地30cm時總指揮發出停止命令，桁架停止上升，組織人員對HJ3桁架進行了人為的沖擊、晃動，等工件靜止后，對吊裝的機具設備再次進行檢查。各崗位自查，關鍵部位由技術負責人檢查，實行記錄，再向總指揮匯報情況。?
    （3)檢查結束無異常，總指揮發出起吊命令，起動4臺100KN卷揚機，使桁架平衡地緩慢向上提升。工件提升時，用白棕繩把工件的兩端栓住、牽引，并附著工件的上升慢慢地緊、松繩子，其目的就是使工件不發生晃動，避免與其它物體或是土建砼體相碰撞。?
    指揮者隨時觀察著工件的水平程度，并發出調節的命令使工件能保持水平狀態上升。?
    （4）等工件補被吊高到安裝標高時，總指揮發出停止命令，停止工件的上升，然后，發出變幅命令，起動4臺5t卷揚機對桅桿的角度實行變幅，由原來傾斜的10.5m調正到6m，附著桅桿的扶直過程，主纜繩的滑輪在轉動，主纜繩在收短，工件也慢慢地變幅移動，到了基礎的上空。?
    （5)到達安裝位置后，總指揮發出停止變幅的命令。接著發出指揮命令，下降工件，由38m層面上的分指揮通過對講機把工件與基礎的實際情況匯報給總指揮，總指揮根據反饋的信息，發出調節指令，準確對位，使桁架HJ3平穩地下降到了基礎上。?
    （6) 工件的正確對位后，工件的60～80%的重量擱置到基礎上后，停止卷揚機的動作，及時地收緊2對桁架的纜風繩，同時由經緯儀測量垂直度，檢測定位以后，立即把支撐的桿件焊好，用以穩固桁架，穩固工件的支撐共三支，保障桁架的安全性。?
    （7) 支撐桿為格構式，長度10m，用4根?50×50×5角鋼作為主肢桿，腹桿用?40×40×4角鋼焊接而成，中間截面為400×400，兩端截面200×200,支撐桿用塔吊吊裝就位，上端與桁架的上弦桿焊接，下端就和砼層面上的預埋鋼板焊接，埋件位置在B軸與10軸、15軸、17軸的交點上。?
    （8) 待HJ3桁架按設計要求和工藝布置焊好以后，經質檢和嚴格的安檢后，確認桁架穩定、堅固時，慢慢地放松10t卷揚機，并且對桁架進行安全監控。最后，全部松掉吊裝設備，拆去連接吊點機具后。移動吊裝的桅桿，移到下一榀桁架吊裝的位置，做下一輪吊裝的準備工作。?
    吊裝HJ3桁架時的受力分析見圖4。

    五、結論?
    本次三榀轉換桁架的吊裝工作，由于領導重視，相關技術人員和工人齊心協力，聯合攻關，所以工作進展十分順利，實際每榀吊裝到位時間僅僅花了1小時10分，完全符合施工質量要求，得到了領導機關和各相關單位的一致好評。不僅滿足了施工進度的要求，而且大大節省了施工費用，說明在施工過程中挖掘經濟潛力還是十分巨大的。

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