造船廠龍門吊提升支架設計與探討

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全（中國建筑西南設計研究院有限公司，成都　610041）

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造船廠龍門吊提升支架設計與探討

Design for and Discussion on Shipyard Gantry Crane Lifting Stand

周全
（中國建筑西南設計研究院有限公司，成都610041）

摘要：該文結合某造船廠龍門吊提升支架的設計，對索-桁架結構的設計方法進行初步探討，主要從設計思路、分析方法和安裝施工三方面闡述，提升支架設計的合理性。

關鍵詞：龍門吊提升支架；標準化；幾何非線性；索-桁架結構

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

龍門吊是船廠起吊貨物所必需的生產設備，然而，普通龍門吊的大梁和支腿往往重達數千噸，體形也非常龐大，并且龍門吊往往要提升到上百米的高度，若用一般的起重機械，不僅不經濟，而且還非常的不安全。為了解決這個問題，就必須根據實際情況和工程需求合理設計龍門吊提升和安裝用的大型龍門吊提升支架。2001年上海某造船廠龍門吊安裝的倒塌事件進一步告訴我們，提出一套合理的大型提升支架設計方法勢在必行。

龍門吊提升支架的結構體系由兩榀門式提升支架及張拉其上的12根纜風繩構成，12根纜風繩和兩榀門架組成一個整體共同承受工作狀態下的水平和豎向荷載，結構體系的立面布置詳見圖1。塔架總高度123.4m，塔架跨度20m，兩副門架相距100m。門式提升支架的柱子為四邊形格構式綴條柱，柱腳中心距4.2×4.2m，4個柱肢各自與地面鉸接，使柱整體與地面形成剛接；提升大梁為箱形管，高3.4m，梁與柱連接方式為鉸接。

圖1　提升支架立面圖

龍門吊大梁是提升支架結構體系的重要組成部分，提升支架所承受的大部分風荷載和水平荷載都是通過它傳到支架受力體系上的，設計時應該認真對待。龍門吊大梁全長200m，寬10m，高11m，達到預定高度后其底面距地面100m，合計標準重5000t。

1　提升支架的設計思路

龍門吊提升支架的結構形式為帶纜風繩的門式塔架體系，其特點是高度對門架柱橫截面尺寸比例很大。由于起吊重量的限制，橫向水平風荷載將起到決定性作用。

減少風荷載對節約材料、結構體系的受力有重要意義，應盡量簡化構造，減少迎風面積。風荷載與結構高度、橫截面尺寸、構件形式等有關。因此合理確定結構的立面形式及幾何尺寸，正確選用構件的截面是龍門吊提升支架設計的重要步驟。

選取結構形式時，宜對各種結構方案進行技術、經濟、安全、方便現場施工等方面的比較，以求進一步節約材料、降低造價、提高安全度、加快施工進度。為了降低結構的施工費用，應采取構造簡單的結構，并使結構標準化和統一化。

1.1提升大梁的設計

對于龍門吊提升支架大梁的設計，通過幾種結構形式方案的比較，最終選用兩根寬1.2m，高3.4m的箱形大梁作為提升大梁。兩根箱形大梁端部相連，每根大梁用法蘭按等強度原則拼接，以保證大梁的連續性，箱形大梁內部按規范要求設置縱向和橫向加勁肋。提升大梁示意圖詳見圖2。

圖2　提升大梁示意圖

1.2提升支架柱的設計.

提升支架柱為四邊形格構式綴條柱，起初的考慮是提升支架柱肢每段的長度以運輸長度為限，現場用法蘭接長，綴條在現場用法蘭連接。這種方法現場作業量大，結構質量很難保證。

為了降低造價，加快施工進度，盡可能多的工作應在工廠完成，減少現場作業。為此，對前面所做的設計方案不斷改進，根據龍門吊提升支架本身的特點，將其劃分為若干標準節，在工廠按節生成，運到現場后用螺栓連接將各節組裝成提升支架柱。根據塔架高度和提升支架柱平面尺寸，將提升支架柱劃分為1個底節、17個標準節和1個頂節，底節和標準節高6m，頂節高12m，各節如圖3所示。提升支架柱現場拼裝時，只需將柱肢各節依次就位，然后用套筒和螺栓連接。為了上、下節鋼柱安裝就位，在下節鋼柱內焊接一道就位鋼管，安裝時將就位鋼管伸入上節鋼柱內，然后用8個M30長螺栓穿過焊接于鋼柱外圈的Φ60/14套筒并擰緊。

圖3　提升支架柱標準節劃分

提升支架柱按這樣設計，可以根據需要通過增加或減少標準節來調整門架的高度，達到多次重復使用的目的，具有很高的經濟價值。

2　提升支架體系的計算分析

2.1提升支架體系的簡化分析

提升支架體系通過門式支架和纜風繩的共同作用來承受外荷載，體系的受力情況很復雜，精確計算并不容易，初步設計時，為了簡化計算，可以只考慮主要的影響因素而忽略次要的因素，對結構的受力體系進行簡化，以方便我們的計算。

門式支架的柱肢和提升大梁鉸接連接，支架兩個柱肢的受力狀態基本相同，計算時，兩個柱肢可按照剛度和面積相等的原則換算成一根彈性豎桿。纜風繩沿空間布置，其受力情況比較復雜，精確計算比較困難。初步計算時可以忽略背風向和側風向的纜風繩，這些纜風繩受力較小，對體系的受力狀態影響不大，而只考慮迎風向的纜風繩，這根纜風繩是主要的抗風構件。

經過以上的處理方法，簡化后的結構計算模型如圖4所示。

圖4　簡化后的結構計算模型

2.1.1單根纜風繩的受力分析

由于纖繩的非線性工作性質，精確計算纖繩受力是比較困難和費時的，于是便有了適用于各種情況的近似方法。為了簡化計算，常常作下列假定:

（1）纖繩垂度與纖繩弦長之比相當小。通常情況下，纖繩垂度小于纖繩弦長1/10，屬于小垂度范圍，這一假定符合工程實際，對實際工程有足夠的精度。

（2）作用在纖繩上的所有荷載都是均布的。這一假定對纖繩采取了以拋物線代替懸鏈線的近似形式，其誤差也不大。

（3）單根纖繩受力計算時不考慮平行于纖繩弦向的荷載。通過計算比較，忽略弦向荷載的作用，其解與精確解差別不大，滿足工程的精度要求。

圖5　纖繩計算的基本圖形

計算纖繩時，先假定纖繩兩端固定，纖繩受到垂直于弦向的均布荷載作用，根據柔索原理得到纖繩垂度fi和纖繩懸垂線的曲線長度Li的計算公式[1]：

式中:

qi——纖繩弦向均布荷載；

li——纖繩跨長；

Si——纖繩弦向張拉力。

根據纖繩弦向長度變化和受力狀態之間的關系可得如下的纖繩公式[1]：

式中：l0為纖繩初始狀態的弦向長度；△l為纖繩弦向長度的增量；q、q0為纖繩工作狀態和初始狀態時垂直于弦向的均布荷載；S、S0為纖繩工作狀態和初始狀態時的弦向張力；E為纖繩材料的彈性模量；A為纖繩的有效截面積；ε為纖繩材料的溫度線膨脹系數；t、t0為纖繩工作狀態和初始狀態時的溫度。

由式(3)可知纖繩弦向力與弦向變形△l是三次方的曲線關系，表現出非線性的工作性質，纖繩方程求解時須通過迭代反復計算，才能求得弦向變形值△l與纖繩弦向張力S的對應關系。

2.1.2簡化體系的受力分析簡化結構體系的外荷載由纖繩和彈性豎桿共同承受，纖繩和彈性豎桿共同作用的機理非常復雜，要將纖繩和彈性豎桿作為一個整體來分析比較困難，須進行簡化計算。簡化計算模型如圖5所示，計算時可將纖繩和彈性豎桿分別進行計算，然后利用頂節點處纖繩和彈性豎桿的水平位移相等的幾何條件聯立求解。計算時首先假定一合理的柱子變形曲線，假定纖繩節點的初始水平位移值為y1s，計算纖繩的弦向張力值，將此張力反向施加于彈性豎桿，計算彈性豎桿在豎向和水平荷載作用下的水平位移值y1z，倘若y1s≌y1z，可認為此位移值即為結構體系的實際位移值。否則，令y2s=ylz，繼續計算彈性豎桿位移y2z，如此反復進行，直到yns≌ynz，利用此位移值即可求得纖繩和彈性豎桿的內力。

2.2提升支架體系的非線性分析

龍門吊提升支架體系由門架柱、提升大梁和纜風繩組成。門架柱為空間格構式桁架，其弦桿連續，腹桿和橫桿鉸接于弦桿上，在很大的豎向和水平向荷載作用下，所有桿件受力均以軸力為主，彎矩、剪力和扭矩所占比例非常小，可以忽略不計，所以門架柱計算模型可簡化成空間桁架結構。提升大梁由兩根大的箱形管構成，起吊時提升荷載直接作用在提升大梁上，在大梁中產生很大的剪力和彎矩，可以將大梁簡化為簡支梁，直接作用在門架柱頂。由于索只能承受軸力，可以將索定義為只拉單元。由于纜風繩的對稱布置，兩榀門架的受力基本相同，提升支架的計算模型可取一榀門架研究，如圖6所示。

2.2.1纜風繩的選擇

主索選用外徑Φ65,6x37 (鋼絲Φ3.0，A=1568mm2，自重1465kg/100m)；副索用外徑Φ56,6x37(鋼絲Φ2.6，A=1178mm2，自重1107kg/100m)；抗強風鋼索同主索，塔架自升臨時纜風繩同副索，所用鋼絲繩公稱抗拉強度均為1670N/mm2，彈性模量E= 1.2x105MPa。每根纜風繩所需鋼絲繩根數和其它相關參數如表1所示。

表1　纜風繩參數

表2　提升支架設計主要工況及控制荷載組合

2.2.2支架體系的加載

由于龍門提升架為臨時結構，計算時只考慮一種荷載組合: 1.2恒載+1.4吊重+1.4風載。塔架內力分析考慮四種工況，見表2。

圖6　龍門吊提升支架計算模型

對每種工況，提升支架所受風荷載均應考慮三種風向，即橫向、縱向和45°風向。第四種工況中龍門吊大梁所受風載由專用纜風繩承擔，僅纜風繩拉力的豎向分量作用于提升支架上。用3d3s進行分析時，風荷載用桿件導荷載，塔架分為10段，每段的風振系數和風壓高度變化系數按實際高度取值，體形系數取1.2。龍門吊大梁的自重荷載作為均布荷載作用于門架大梁的中部；承受的風荷載按實際風向采用集中力施加于門架大梁上。

2.2.3非線性靜力分析

門架柱、纜風繩計算的控制截面和控制點的取法如下:

（1）門架柱柱肢內力，取門架柱底節的四根柱肢作為控制截面。

（2）門架柱斜桿內力，取門架柱底節的交叉斜桿作為控制截面。

（3）腹桿內力，取計算結果中內力最大值的腹桿為腹桿的控制截面。

（4）橫桿內力，取計算結果中內力最大值的橫桿為橫桿的控制截面。

（5）門架柱柱身位移，取門架柱頂節的頂點作為位移控制點。

（6）纜風繩張力，根據風向分別取各風向主纜風繩的張力。

（7）纜風繩位移，取主纜風繩上部連接節點處的位移。

3　鋼結構的現場安裝和拆卸

3.1鋼結構的安裝

鑒于上述標準化的結構設計思路，鋼結構的現場安裝可以參考建筑工地施工塔吊的安裝方法，以加快現場施工的進度，提高施工的質量。

設計一提升套架，其頂端與門架柱頂節牢固連接，套架下部內側設置多個滑輪，可以沿已經安裝就位的門架柱節滑動。

安裝時，先用吊車在兩個塔基上面安裝好底節、兩個標準節、頂節、提升套架和承重小梁，形成兩個穩定的四邊形塔體。將已經在地面拼裝好的兩片腳手架吊裝就位，并在兩片腳手架之間按照設計位置固定兩根支撐梁[28。然后分六段吊裝兩根提升大梁，大梁邊段一端擱置在支撐小梁上，另一端擱置在[28支撐梁上，大梁中段梁端均擱置在[28支撐梁上。大梁就位并測定位置后用法蘭連接螺栓緊固，箱形大梁內側法蘭螺栓則由梁端平臺進入箱形梁內側緊固。最后連接好提升大梁和支承小梁之間的緊固螺栓，并在其間裝橡膠墊板，固定好大梁之間以及大梁與腳手架之間的連接板件，在設計位置焊接好牽繩連接板，準備按照塔吊安裝方法進行施工。

頂升外套架，連同門架柱肢頂節、提升大梁和腳手桁架等一起爬升，每次上升3m，兩次安裝一個門架柱標準節，兩個門架柱同時提升。標準節裝入后及時用螺栓固定，每安裝一個標準節均要對門架柱的標高和垂直度做測定、調整，保證安裝的質量。

當大梁頂超過78m時，在套架底約60m高的門架柱節點上四面用臨時纜風繩固定，繼續頂升外套架。當頂升達到設計標高后，按設計要求的工作狀態連接、張拉纜風繩。同時調整兩座塔的垂直度，使兩座塔的垂直度偏差在X、Y方向均小于30mm。纜風繩的預應力值應分幾次逐步對稱調整到設計值，最終纜風繩預拉力偏差控制在設計值的10%之內，此時門架柱的垂直度標準同時滿足。

檢查所有的螺栓連接質量及安全措施。逐步放松60m高度處的臨時纜風繩，并觀測變形值的變化，做出適當的調整，并在提升大梁上固定千斤頂梁和千斤頂，完成一副門架的安裝。一切就緒后按照前面的步驟開始安裝另一副門架，形成完整的結構體系。

3.2鋼結構的拆卸.

龍門提升架屬于臨時結構，鋼結構安裝完成后開始提升5000t龍門吊大梁，龍門吊形成自身的結構體系大約需要15d時間，之后就要拆卸鋼結構提升架。

龍門吊提升支架拆卸時，先恢復60m高度處的臨時纜風繩，架起[28支撐梁，拆除龍門吊提升支架頂部的工作狀態受力纜風繩。拆卸提升大梁的連接螺栓，將提升大梁拆分成六段，分段吊裝降落到地面。再將腳手桁架從門架頂拆除，拆分成兩片，分片降落到地面。

拆除掉門架頂的提升大梁和腳手桁架后，利用門架柱頂端的套架和頂升千斤頂等自升設備按照安裝時的方法，向下逐段拆除標準節。當套架下端接近60m處纜風繩時，拆除該高度處的四向臨時纜風繩，然后繼續向下逐段拆除標準節，直到最后剩下底節、兩個標準節和頂節。最后用吊車拆除外套架、門架柱頂節、兩個標準節和底節，完成整個龍門吊提升支架的拆卸。

4　結語

龍門吊提升支架的結構體系由兩榀門式提升支架及張拉其上的12根纜風繩構成，12根纜風繩和兩榀門架組成一個整體共同承受工作狀態下的水平荷載和豎向荷載。

分析龍門吊提升支架這類高而細長的索-桁架混合結構時，可以將支架和纜風繩作為一個整體，計算兩部分之間的相互作用，并充分考慮支架的P-△效應和纜風繩的非線性特征，必要時還需要考慮結構塑性的發展。

提升支架作為臨時結構，一個龍門吊提升完成后就要拆卸，設計時必須考慮安裝、拆卸的方便性以及支架多次使用的可能性。將提升支架柱身設計為一個底節、一個頂節和多個標準節，每一個節段各桿件之間用螺栓連接，不僅安裝和拆卸非常方便，而且可以多次重復利用，具有很好的經濟效益。

參考文獻：

[1]王仕統，姜正榮，謝京.索－桁結構的設計參數探討[J].建筑結構學報，2001(5).

責任編輯：孫蘇，李紅

作者簡介：周全(1983-)，男，四川巴中人，研究生，一級注冊結構工程師，主任工程師，從事建筑結構設計。

收稿日期：2016-01-12

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.021

中圖分類號：TU391

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）03-0021-04