煉化裝置大型鋼結構模塊化安裝數據分析與應用

翟德宏，歐陽成渝，羅曉軍

中國石油蘭州石化公司，甘肅蘭州 730060

1 概述

某催化劑廠廢氣綜合治理項目中，需建設2套15 m×9 m×46 m的綜合塔鋼結構框架，該結構屬于大型鋼結構范疇，施工難度大。第1套綜合塔鋼結構框架施工采用散裝法進行，該方法是先分別預制鋼結構的柱、梁，而后依次吊裝到相應位置進行安裝，需搭設超高腳手架進行柱、梁的空中組對及焊接，高空作業情況多，安全風險高，施工效率低。為解決此問題，研究采用模塊化技術進行第2套綜合塔鋼結構框架施工。模塊化鋼結構的節點及受力情況復雜，吊點位置的確定與單根梁、柱安裝的散裝法完全不同，梁、柱之間相互作用，不僅需要對不同吊點位置進行分析，還需分析模塊劃分、預制及吊裝過程不同狀態下鋼結構的整體受力情況，以確保模塊化安裝不造成鋼結構的失穩及應變，而傳統手算已無法實現如此復雜的分析計算，考慮采用有限元方法。

2 有限元計算方法的確定

經分析發現，因鋼結構連接復雜，有限元軟件亦不能自動進行節點及雅可比計算并劃分網格，因而需進行二次開發。由于吊裝過程持續時間較短，且惡劣環境下不能吊裝，因此分析計算不考慮風載、溫度變化等外部因素的影響，僅考慮重力作用。數學建模時忽略翼緣與腹板連接處圓角部分的面積，假定H型鋼由m個網格組成，每個網格截面有n個高斯點，如圖1所示。

圖1 H型鋼結構高斯點分布示意

有限元算法為[1]：設H型鋼網格內任意高斯點坐標應力為{δx，δy，δz，τxy，τyz，τzx}，法向矢量為n，計算坐標軸X、Y、Z方向的余弦為{lx，ly，lz}。根據材料力學公式，任意高斯點法向應力δn和切向應力τn為：

則網格截面軸力N、剪力Q、彎矩M由高斯積分方程可得：

式中：hij為高斯點距截面中性軸距離；det（J）為雅可比行列式；ωi、ωj為高斯積分權系數。

通過式（4） 可以計算出鋼結構各網格的軸力、剪力和彎矩，賦予材質特性后，經有限元計算得到鋼結構的應力、位移及應變值。算法經APDL語言編程后，通過軟件API接口載入，實現在高斯積分原理下鋼結構的數據分析。

3 模塊化單元的劃分與計算

施工現場作業區域東西長60 m，南北寬24 m，考慮預留道路、腳手架搭設及吊裝位置，擬將該鋼結構劃分為4個模塊，模塊分段見圖2，模塊劃分參數見表1。

圖2 模塊分段

表1 模塊劃分及應力計算數據

鋼結構在模塊化預制中，要盡量減少高空作業，避免搭設超高腳手架，確保預制不發生失穩或應變。因第1段鋼結構模塊長×寬×高為15m×9m×11.3 m，為降低高空作業高度，預制時將高度與寬度互換，因此第1段鋼結構模塊尺寸調整為長×寬×高為15 m×11.3 m×9 m。預制過程中為減少累積誤差，確保拼裝精度，其他各段放置方向與第一段鋼結構模塊相同，參數均為長×寬×高=15 m×各段高×9 m。因此，吊裝狀態下，鋼結構模塊受力方向為結構柱高度方向，預制時是構造梁作為高度方向受力，需要進行應力分析，以確保預制時不發生失穩。預制時整體應變計算結果圖譜見圖3，從應變圖譜可知該模塊應變非常小，接近于0，方案可行。

圖3 預制時鋼結構整體應變分析圖譜

4 吊點的計算與選擇

因第一段鋼結構模塊尺寸最大，體積為1 525.5 m3，質量為68 t，且預制時各段鋼結構模塊的長度、高度尺寸均相同（除煙囪外），所用材料及結構設計相同，重心位置亦相同，吊裝狀態相同，因此吊點分析計算以第一段鋼結構模塊為例，其余模塊與第一段類似，本文不再作詳細說明。

模塊化預制完成后，需整體吊裝就位，在吊裝過程中需自平衡，上端只能設置4個與重心所在平面對稱的主吊耳；溜尾吊車在模塊垂直后脫鉤，與主吊耳配合，也需自平衡，也只能設置2個對稱吊耳，為降低初始起吊高度，避免主吊車扛桿，同時考慮結構穩定性，溜尾吊耳設置在模塊首層平臺柱梁連接處。理想吊點位置的確定方法為“控制變量法”，其思路為：首先假設主吊車理想吊點位置為距離重心d1、d2處（如圖4所示），d1、d2以500mm為步距逐步由重心部位向外移動，計算每個吊點的應力、位移及應變大小，繪制趨勢圖，得到應力、應變最小的2個點，再采用“二分法”逐步縮小吊點的計算范圍[2]，確定最終吊點位置，結果如表2所示。溜尾吊點的確定是在上吊點位置不變的情況下，分別計算極限狀態下A、B兩吊點的應力、位移及應變值，取最小值后得到溜尾吊車理想吊點位置，溜尾吊點位置設置見圖5，計算結果見表3。

圖4 第一段鋼結構模塊主吊點位置示意

表2 主吊車理想吊點計算數據

圖5 第一段鋼結構模塊溜尾吊耳吊點示意

表3 溜尾吊車理想吊點計算數據

由表2可知，主吊耳位置與重心位置距離的變化與應力、位移、應變的變化不成比例，也無明顯規律，因此選取計算數值最小的5.5～6.0 m之間為理想吊點位置，采用“二分法”確定理想吊點位置為距離重心5.8 m處。由表3可知，因B吊點計算結果為“失穩”，加之B點會出現“割鋼絲繩”情況，因此選擇A點為溜尾吊車理想吊點。

5 吊裝過程動態應力分析

吊裝施工為動態過程，不同位置吊耳受力情況不同。模塊重心平面與水平面夾角在0°～45°時，上端2個主吊耳受力，下端2個溜尾吊耳受力；夾角在45°～90°過程中，溜尾吊耳脫鉤前，上端4個主吊耳受力，下端2個溜尾吊耳受力；夾角在90°至吊裝就位過程中，上端4個主吊耳受力，下端溜尾吊耳脫鉤，不受力。這3種受力狀態變化會導致鋼結構模塊受力不同，需分別進行力學分析，以判斷吊裝方案是否可行或考慮對應變處進行加固，確保鋼結構吊裝過程無應變，計算結果見圖6及表4。

圖6 吊裝過程中鋼結構及吊耳應力分析圖譜

表4 吊裝過程應力計算數據

從表4的分析結果可知，吊裝過程中鋼結構最大應力值小于材料屈服強度（345 MPa），應變非常小，吊耳根部應力值大于345 MPa，最大應變為0.065，需實施加固措施。

6 加固措施與分析

吊裝過程中應變僅發生在吊耳處，分析原因是次梁鋼結構翼緣板外延薄弱，吊耳與翼緣板焊接，吊裝受力后產生應力集中而發生應變，需用加強筋對吊耳進行加固處理，措施示意見圖7。

圖7 加強筋加固示意

加固完成后，需再次對鋼結構及吊耳整體進行應力分析，以0°～45°為例，分析結果見圖8。從圖8可知，加固后極限狀態下最大應力33 MPa（＜345 MPa），應變非常小，加固措施可行。

圖8 整體加固后分析圖譜/Pa

7 實施過程

經力學分析，模塊化安裝過程中的應力、應變計算結果符合吊裝要求。該催化劑廠廢氣綜合治理項：綜合塔第2套框架采用了模塊化安裝，從3月20日材料進場開始至5月4日第4段鋼結構模塊的吊裝完成，僅耗時45 d，施工工期與第1套采用散裝法施工耗時85 d相比，節約40 d；同時，模塊化安裝避免了超高腳手架的搭設，雖然增加了部分大型吊車的臺班費用，但與節約的小型吊車臺班、人工及腳手架搭設費用相比，經濟效益仍顯著；因在地面進行深度化預制，安裝質量受控，減少了因高空作業而出現的質量控制盲區。鋼結構模塊吊裝現場施工見圖9。

圖9 鋼結構模塊吊裝

8 結束語

本文通過對有限元分析方法的二次開發與應用，分析了不同吊點位置對吊裝過程中鋼結構模塊的整體受力情況的影響，通過分析結果，確定了吊裝理想吊點位置，得到不同吊裝狀態下的鋼結構應力變化結果，為鋼結構模塊化安裝提供了數據支持與理論依據，實現了綜合塔鋼結構框架的模塊化施工，降低了安全風險，提高了施工效率，節約了施工成本，保證了施工質量[3-5]，經濟效益顯著。該方法不僅在類似工程中有較強的推廣應用價值，還可應用于復雜應力計算及大型設備吊裝中，有廣闊的應用前景。