鋼管構(gòu)架吊裝中吊點(diǎn)及鋼絲繩徑的選擇

劉林田，隋菲菲

（1.山東送變電工程公司，濟(jì)南市，250022；2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100094）

0 引言

密州500 kV變電站工程是山東500 kV主網(wǎng)架的重要組成部分，位于山東電網(wǎng)西電東送通道上，主要承擔(dān)山東中部電網(wǎng)的供電任務(wù)，是山東電網(wǎng)的重要變電站。該變電站500 kV構(gòu)架包括構(gòu)架桿、鋼梁、地線柱、避雷針、鋼爬梯、鋼斜撐等，共計(jì)60吊。共有人字柱22基（其中帶端撐7基），分為15種型號(hào)，單重最大12.482 t；共有構(gòu)架梁38根，分為7種型號(hào)，并可分為4個(gè)標(biāo)高，其中4根18.5 m，12根20 m，16根26 m，6根33 m，單梁最重8.275 t。

該工程構(gòu)架柱采用直縫焊接圓形鋼管，螺栓法蘭連接，鋼橫梁為三角形格構(gòu)式鋼梁。鋼橫梁跨度為28 m、30.5 m和32.5 m，安裝高度為18.5 m、20 m、26 m、33 m；避雷針安裝后最高為50 m。該工程吊裝時(shí)擬采用70 t吊車進(jìn)行吊裝，25 t吊車進(jìn)行組裝。

目前，鋼管結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于超高壓、特高壓變電構(gòu)架中[1-6]，而構(gòu)架吊裝中吊點(diǎn)及鋼絲繩徑的選擇一般憑施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。本文以山東密州變電站500 kV鋼管構(gòu)架吊裝為例，通過(guò)理論計(jì)算闡述了構(gòu)架吊裝過(guò)程中鋼梁和A字柱的吊點(diǎn)的最佳受力位置及鋼絲繩徑的選擇，為構(gòu)架吊裝提供理論依據(jù)。

1 鋼梁和構(gòu)架柱吊點(diǎn)選擇

該工程吊裝構(gòu)件總體上分為2大類：鋼梁和構(gòu)架柱。在吊點(diǎn)計(jì)算中均采用近似計(jì)算法確定吊點(diǎn)位置。

1.1 鋼梁吊裝

1.1.1 吊點(diǎn)計(jì)算公式

鋼梁吊點(diǎn)按允許彎矩法進(jìn)行吊點(diǎn)受力計(jì)算與吊點(diǎn)選擇。

各類鋼梁計(jì)算時(shí)均忽略其接頭包鋼質(zhì)量，假設(shè)荷載線性均勻分布，計(jì)算中不考慮加速度、風(fēng)速等動(dòng)荷載，鋼梁吊裝按雙吊點(diǎn)考慮，其吊裝示意圖如圖1所示。吊點(diǎn)至梁端的距離為x，q為線荷載，l為鋼梁長(zhǎng)度，l=28 m（以GL-7為例）。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，鋼梁在自重狀態(tài)下跨中的最大彎矩值為

1.1.2 計(jì)算實(shí)例

該工程有7種鋼梁，以鋼梁GL-7為代表，其質(zhì)量為7.990 t，q=2.797 kN/m。下面以鋼梁GL-7為例進(jìn)行吊點(diǎn)計(jì)算與選擇。圖2為GL-7鋼梁起吊示意圖。

梁安裝就位后，橫梁在自重工況下梁端部彎矩值M=0，鋼梁跨中最大彎矩值M=0.125ql2=274.11 kN·m。

鋼梁吊裝過(guò)程中，當(dāng)不考慮吊繩水平力所產(chǎn)生的附加彎矩時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，鋼梁最合理的吊點(diǎn)位置是使吊點(diǎn)處負(fù)彎矩與跨中正彎矩絕對(duì)值相等的地方，此時(shí)吊點(diǎn)位置在離鋼梁一端0.207l處。

（1）當(dāng)?shù)觞c(diǎn)位置設(shè)在距梁端0.207l=5.8 m時(shí)，吊點(diǎn)處最大負(fù)彎矩：（-M）=-qx2/2=-47.05 kN·m，跨中最大正彎矩：（+M）=ql2/8-qlx/2=47.05 kN·m。此時(shí)|（-M）|=（+M）=47.05 kN·m。

當(dāng)?shù)觞c(diǎn)設(shè)在鋼梁節(jié)點(diǎn)4時(shí)，x=6 m，此時(shí)吊點(diǎn)位置最接近0.207l位置。

（2）同理，根據(jù)式（2）和式（3）可以計(jì)算出，當(dāng)選擇其他吊點(diǎn)時(shí)鋼梁承受的彎矩值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

當(dāng)?shù)觞c(diǎn)選擇在鋼梁節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)7位置時(shí)，鋼梁承受的彎矩的絕對(duì)值均小于鋼梁就位后在自重狀態(tài)下承受的彎矩，且均在允許強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

1.2 構(gòu)架柱吊裝

該工程構(gòu)架柱組裝件型式不一，可分為構(gòu)架柱和帶鋼梯的構(gòu)架柱。根據(jù)假設(shè)條件荷載線性均勻分布，計(jì)算中不考慮加速度、風(fēng)速等動(dòng)荷載，吊裝按雙吊點(diǎn)考慮，其吊裝示意圖如圖3所示。

表1 GL-7承受的荷載及撓度計(jì)算表Tab.1 GL-7 applied load and deflection calculation

（1）獨(dú)立鋼桿和鋼斜撐采用1點(diǎn)起吊，綁扎點(diǎn)位置計(jì)算方法和圖3相同。

（2）帶鋼柱和避雷針的構(gòu)架柱，鋼柱和避雷針可分別簡(jiǎn)化成等效長(zhǎng)度，再按線性均布荷載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中不考慮加速度、風(fēng)速等動(dòng)荷載，吊裝按雙吊點(diǎn)考慮，其吊裝綁扎示意圖如圖4所示。

設(shè)吊點(diǎn)至柱頂鐵的距離為x，構(gòu)架柱頂板至底端的距離為l，計(jì)算總長(zhǎng)度為l0，吊點(diǎn)至頂端的計(jì)算長(zhǎng)度為x0，頂頭鐵至頂端的長(zhǎng)度和等效長(zhǎng)度分別為ln、xn'，l1為吊點(diǎn)至底端的距離，則l0=l1+x0，x0=x+xn'。當(dāng)構(gòu)架柱無(wú)鋼柱或避雷針時(shí)，xn'=0，l0=l1+x=l，x0=x。

設(shè)λ=x0/l1，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，最大正彎矩為

最大負(fù)彎矩為

（1）當(dāng)x=0時(shí)，即在頂頭鐵處起吊時(shí)，最大正彎矩為M=ql12/8。

以最重構(gòu)架柱為例進(jìn)行計(jì)算（11.55 t，l1=27.75 m），q=4.08 kN/m，則M=392.7 kN·m。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，可得

式中：f為材料應(yīng)力強(qiáng)度；Yx為截面塑性系數(shù)，可取1.15；Wx為截面抵抗矩，2根φ530 mm×10 mm的鋼管，其Wx=4168 cm3；f=81.9 N/mm2＜345 N/mm2（鋼材的材料應(yīng)力強(qiáng)度），即在頂頭鐵處起吊時(shí)，強(qiáng)度能夠滿足要求。

（2）當(dāng)（+M）+（-M）=0時(shí)，求得λ=0.414（λ其余3個(gè)值舍去），即x0/（l0–x0）=0.414，求得x0=0.293l0，些時(shí)鋼柱承受的正彎矩值和負(fù)彎矩值的絕對(duì)值相等，鋼柱承受的彎矩值最小。

（3）當(dāng)有鋼柱和避雷針時(shí)，等效長(zhǎng)度為xn'=（G/Gn）·l，吊點(diǎn)至頂頭鐵的距離x=x0-xn'＝0.293 l0-（G/Gn）l（G為避雷針的重量，Gn為下部桿子重量）。

綜合上面2種情況，即吊點(diǎn)在頂頭鐵到0.293 l0之間，強(qiáng)度均能滿足要求。但為了減小吊鉤的高度和容易控制吊件就位，在吊裝過(guò)程中吊點(diǎn)宜選擇在最上面的橫撐附近。

2 鋼絲繩徑的選擇

吊裝最大起重量為122.32 kN，采用2點(diǎn)起吊。

單根鋼絲繩的受力為F=G/（2×sin60°）=70.62 kN（其中G為重量，鋼絲繩與水平面的夾角取60°）。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，可以得到鋼絲繩的破斷拉力為S=kF=423.74 kN（其中F為鋼絲繩的受力，k為安全系數(shù)，取k=6）。

鋼絲繩的破斷拉力總和P=S/ω=498.52 kN（其中ω為鋼絲繩破斷拉力換算系數(shù)，取ω=0.85）。

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可選用φ31 mm（6×19×1700型，鋼絲強(qiáng)度極限1700）的鋼絲繩，其破斷拉力的總和為608.5 kN。

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[8]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[9]GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[10]本書(shū)編寫組.建筑施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.