倒三角起重臂預起拱制作與檢測技術研究

郝好峰，范開英，沈蘭華，洪 郴

（1.中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東 濟南 250102；2.山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

平臂塔機因安裝方便、變幅速度快、覆蓋范圍大等優勢而廣泛應用于建筑施工項目。在起重吊裝作業過程中，起升載荷向外變幅隨著幅度的增加而起重力矩負荷率增加，穩定性下降，危險性加大。為防止意外發生，平臂塔機起重臂在設計和制作時通常略微上揚，在變幅鋼絲繩斷裂后起升載荷不能自行沿著起重臂向外變幅，降低負荷率和安全風險[1]。

平頭塔機起重臂自重應力在材料利用率中占有較大比例，預起拱的控制由于生產制作方式的不同，實現效果有時達不到設計要求。在驗收時只能跟隨制作過程檢測，難以得到客戶現場安裝狀態的對比使用數據，也缺乏相關規范的標準支持，需要設計進一步的分析指導。

1 預起拱方式

平臂塔機按照有無塔尖結構可分為塔頭塔機和平頭塔機。結構設計對起重臂預起拱采用不同的方式。

塔頭塔機起重臂一般采用正三角結構，通過前拉桿從塔帽頂部連接起重臂中部。因為塔帽和拉桿的存在，起重臂在制作時可不考慮預起拱，而是通過設計減少拉桿長度，使起重臂微微上翹1°～1.5°。

平頭塔機起重臂屬于懸臂結構，起重臂預起拱只能通過自身構造實現。起重臂上弦桿各段之間鉸接時設計適當轉角，結構制作時考慮下弦桿保持端面頂緊，形成一條鏈式拋物線，實現起重臂平滑上揚[2]。

大型平頭塔機起重臂可采用正三角或倒三角結構，選用倒三角結構時，因各段受力差異較大，在結構材料選取和轉角設計時，各段設計預起拱要求均不相同。為保證下弦桿能夠有效傳遞壓力，需要分段計算校核和制作加工，難以采用統一的標準工裝。起重臂在分段制作桁架過程中因倒三角的不穩定結構，一般采用正三角組合方式進行拼裝。考慮自重應力的影響，制作過程和工作狀態屬于截然相反的受力工況，需要對結構制作過程進行設計指導。

2 受力工況分析

起重臂在工作狀態下的載荷組合工況是設計控制的主要內容，通過設計資料輸出反應起重臂結構制作標準值。起重臂設計在強度計算時可采用根部固定方式，也可以固定回轉塔身；在剛度計算時需采用整機校核。各種工況起重臂都處于倒三角狀態，且各段之間沒有外部約束和支座反力。在設計輸出時，一般項目輸出為制作最終控制尺寸，但起重臂因其自重變形不可忽略，且生產工藝人員難以預判整體裝配后的變形量，需要設計單獨提供預拱度尺寸數據，如圖1所示。

圖1 起重臂設計模型

在起重臂部件制作和驗收過程中，因生產條件限制無法剛性固定回轉塔身，為保證起重臂單部件結構穩定，需要對起重臂進行分段支墊，受力狀態完全不同。生產制作約束狀態如圖2 所示。

圖2 起重臂倒組合制作約束示意圖

起重臂倒置組合制作驗收時，由于各段上主弦桿均被工裝支墊，不存在整體懸臂自重應力，只有各段區間的單節自重應力影響。隨著工裝支墊的增加，單段自重撓度與圖1 所示整體懸臂工況相比可以忽略。在制作過程中，可以按照設計校核的預起拱尺寸數值D 鏡像放樣，直接制作。

桁架組合后，因結構制作相關工序要求，起重臂不能一次性完工，因此需要在預裝配拆分前進行組合精度控制。起重臂整體驗收時以起重臂設計值為基礎，把圖紙角度參數轉化為高度參數[3]，將設計放樣數據和現場組合數據進行對比，驗證制作是否符合圖紙要求。因每段起拱角度數值較小，單件測量精度受限，對解體后的起重臂單部件不再進行復檢。

3 檢測方案對比

起重臂結構制作可以按照鋼結構驗收規范和設計圖紙進行驗收，但對于預起拱沒有標準可以參考。在設計計算時模擬實際使用的倒三角狀態；在生產制作時根據工廠條件采用的組合工藝為正三角狀態，兩種狀態的差異給檢驗帶來了很多問題。為確保起重臂預起拱制作質量，我們制定了3 種質量控制方案，并對結果進行了分析對比。

3.1 方案一：制作過程驗收

為防止在結構制作過程中非生產要素引起的定位變化，在上主弦桿約束的基礎上，下主弦拼裝時通過螺栓或焊接點固，保證制作過程的尺寸穩定。質量控制配合制作工藝，在主要結構拼裝之后、大組合拆分前進行起重臂整體結構尺寸驗收，驗收標準為設計輸出原始尺寸。但此種檢測方案與最終使用狀態不一致，與設計意圖的自重應力方向相反，也不能驗證設計的正確性，因此沒有得到所有客戶的認可。

3.2 方案二：倒組合驗收

為驗證起重臂在后續焊接作業完成后，是否對主結構尺寸發生影響，在所有結構制作工序完成后，對起重臂進行倒組裝驗收，對所有上主弦桿進行支墊，模擬制作狀態進行起重臂驗收。

3.3 方案三：正組合驗收

為消除支座高低對起重臂結構變形的影響，最大程度模擬起重臂空載工況的狀態，選擇在起重臂節二上主弦桿節點處進行如圖3 所示豎直支墊。因起重臂整體重心已經在節點3 的右側，為保持穩定在起重臂節點5 處加設彈性支撐，將約束載荷反饋給設計，通過設計計算給出當前狀態的自重下撓值f。現場驗收前將圖示沒有的約束支墊全部拆除，測量起重臂預拱度數據。

圖3 起重臂正組合驗收約束示意圖

驗收時，為統一基準，將起重臂節二軌道調成水平，測量軌道踏面作為起拱數據。記錄3 種方案的記錄結果依次為Za，Zb，Zc，3 種方案測量數據如表1 所示。

表1 起重臂各驗收方案軌道標高值

表中符號含義如下。

B——起重臂單節長度；

Bz——下撓實測位置幅度。

4 數據分析

現場驗收狀態起重臂節二的初始角度為0°，作為本次驗收的水平基準，圖紙放樣預起拱數據為D，設計提供起重臂自重下撓為fz。

設起重臂設計圖紙節二的總轉角為α，則有按驗收狀態折算節點n的自重下撓fan

綜合得出正組合各節點理論下撓Zan為

起重臂起拱數據雖然用高度數據標識，但實際設計意圖是起重臂帶載后仍能保持起拱角度大于0°，換算到各節點的公差范圍與測量基準點的距離成正比。經設計評估起拱偏差參照直線度要求，按照1/1 000 控制，得出合格判據Ds。

經計算各方案測量結果偏差如表2 所示。

表2 起重臂各驗收方案預起拱標準值 （單位：mm)

表中fa——起重臂各轉角折算的節點起拱；

Za——起重臂各節點的實際起拱；

Ds——預起拱允許結構制作偏差。

1）方案一制作起拱和圖紙設計偏差Da較小，說明制作過程嚴格執行設計要求。

2）方案二驗收數據和設計理論數據偏差Db較大。經設計模擬計算和現場勘驗分析：制作的輕微偏差即使在允許范圍內，也會導致頂緊發生過壓或松弛情況；現場為檢查下主弦桿是否貼實，支墊高度需要比制作狀態更高。現場支墊的高低極大程度上影響了支座反力，下主弦桿存在壓應力，不是純自重狀態。現場驗收既不能反映結構制作精度，也不能反應自重狀態，對設計和結構制作無法驗證。從表中數據分析，支墊工裝存在調節過高現象。

3）方案三驗收數據Dc更真實地反映了起重臂工作空載狀態下的起拱狀態。驗收時未能意識到結果的偏差會比方案一偏大，但考慮起重臂整體組合后，各段誤差會均對遠離支墊的位置造成累計影響，按角度分析判斷更符合設計意圖。

5 結論

通過對平頭塔機倒三角起重臂現場制作和驗收過程中存在問題的調研，從工作狀態和制作狀態的差異著手，指出現場驗收偏差較大的原因，并為現場正組合驗收提供參考標準和合格判據。

1）當客戶提出制作狀態驗收與實際工況不符后，以客戶關注為焦點，為打消疑慮，本項目采用正組合方式進行驗證性復檢。部件驗收條件不同于整機驗收，有些參數仍然需要設計指導才能進行，測量結果間接驗證設計和制作的有效性。

2）倒三角起重臂正組合狀態更符合起重臂空載受力狀態。起重臂在自重作用下，可以將軸孔加工配合公差、結構焊接變形和下主弦桿端面頂緊配合等因素更好地體現出來。

3）起重臂倒置組合狀態更符合生產制作實際，在組合的過程中也更為安全，通過倒組合工況的驗收，驗證生產制作過程質量控制能夠滿足起重臂預起拱結構要求，是一種行之有效的工藝方法。