螺栓連接預制龍門架的設計與應用

李海峰，張子偉，李晨陽，倪浩然，隗永燕

（國網北京市電力公司建設咨詢公司，北京 西城 100176）

電力淺埋暗挖隧道截面尺寸較小，無法使用大型龍門吊等設備，出土及物料進出一般采用型鋼組裝龍門架。現有龍門架立柱、主梁、橫撐、剪刀撐等采用焊接或焊接與螺栓相結合的方式安裝。安裝過程中，焊接接頭容易產生較大的焊接變形和焊接殘余應力差，從而影響接頭的承載能力、加工精度和尺寸穩定差，同時在焊縫與配件的交界處（熱影響區）產生應力集中，對接頭的疲勞斷裂有較大影響。焊接接頭中容易產生焊接缺陷（裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透）等。這些缺陷的存在會降低焊接接頭強度、引起應力集中、損壞焊縫致密性。拆卸過程中，需要切割架體型鋼，造成鋼材截短。架體周轉利用率較低、在安拆過程中須進行動火作業，存在火災、電擊傷害等風險。

針對上述缺陷和不足，試制一種全螺栓連接的龍門架。架體通過地腳螺栓與基礎固定，各結構件及附件通過普通螺栓或高強螺栓進行連接，解決現有龍門架安拆過程中因動火造成的一系列安全、質量問題。同時，螺栓連接具備安拆方便、連接可靠、周轉效率高、實用性較強等優點。

1 總體結構設計

針對上述現有技術的缺陷和不足，通過螺栓連接的原理設計一種螺栓連接預制龍門架。設計依照規范、規程如下：GB 50017—2017《鋼結構設計標準》、GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》、GB 50011—2010《建筑抗震設計規范（2016 年版）》。

1.1 選材

立柱為I32a 工字鋼，橫梁為I32a 工字鋼，導梁為I36a 工字鋼。

1.2 確定龍門架尺寸

根據電力隧道施工條件及施工經驗，總長跨度14 m，橫向跨度7 m，高度7 m 的龍門架可滿足大多數使用場景。

1.3 確定龍門架結構

龍門架共設6 根I32a 工字鋼立柱，龍門架立柱固定在鋼筋砼支墩，以支撐龍門架的自重及吊運重物時所發生的一切荷載。支墩為現澆C30 砼，尺寸為1.0 m × 1.0 m × 1.0 m，在基礎支墩上預埋地腳螺栓，以便龍門架工字鋼立柱與基礎支墩牢固連接。

電動葫蘆導梁（行走大梁）1 根，根據工程量大小可設為雙軌（行走大梁），為I36a 工字鋼，導向梁與立柱上橫梁牢固連接，橫梁為3 根I32a 工字鋼，立柱之間用I32a 槽鋼做成剪刀撐和橫撐，用以保證龍門架框架的整體穩定性。

如圖1 所示，龍門架屋面及側面封板使用彩鋼板進行全封閉處理，首先在地面上使用螺栓將檁條之間連接好，隨后使用吊車吊運至龍門架預留位置，采用曲臂車配合人工使用自攻螺絲將彩鋼板固定在檁條上。檁條為40 mm × 60 mm × 3 mm 矩形管，龍門架立柱上預制鋼板檁托，檁條與檁托之間采用M12 螺栓[1]。

圖1 立體剖面圖

1.4 建模計算

使用PKPM 軟件建立模型并完成結構計算。

2 主體結構計算

2.1 結構模型概況

根據螺栓連接預制龍門架的設計結構信息，確定主體結構模型的總體信息如表1～5 所示。

表1 總信息

表2 設計信息

表3 風荷載信息

表4 地震信息

表5 節點坐標表

2.2 單工況內力、位移云圖分析

根據實際應用情況，設定工況5 個：恒載荷、活載荷、X向地震、Y向地震和豎向地震作用，運用PKPM 軟件建立螺栓連接預制龍門架模型，并進行內力云圖、位移云圖計算，如圖2～圖9 所示，計算結果均滿足設計規范、規程要求[2]。

圖2 恒荷載（含自重）工況軸力云圖（kN）

圖3 活荷載工況軸力云圖（kN）

圖4 X 向地震工況軸力云圖（kN）

圖5 Y 向地震工況軸力云圖（kN）

圖6 豎向地震工況軸力云圖（kN）

圖7 恒荷載（含自重）工況位移云圖（mm）

圖8 X 向地震工況位移云圖（mm）

圖9 Y 向地震工況位移云圖（mm）

2.3 多工況組合內力云圖分析

恒載荷、活載荷、X向地震、Y向地震和豎向地震作用5 個工況，模擬現場施工應用場景，各工況乘以系數后兩兩或三個間相互組合，形成46 種組合模擬應用場景，再分別進行組合內力云圖計算，結果表明模型的內力分布情況符合規范要求[3-5]。其中，極限情況出現在組合9、組合10、組合31、組合32，仍能滿足規范要求，各內力云圖如圖10～圖14 所示。

圖10 豎向地震工況位移云圖（mm）

圖11 組合9:1.2 × 重力荷載代表值效應+1.3 ×X 向地震+0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖12 組合10:1.2 × 重力荷載代表值效應+1.3 ×X 向地震-0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖13 組合31:1 × 重力荷載代表值效應+1.3 ×X 向地震+0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

圖14 組合32:1 × 重力荷載代表值效應+1.3 ×X 向地震-0.5 × 豎向地震軸力云圖（kN）

3 龍門架的應用

目前，姜莊湖220 kV 輸變電工程（溝道）項目3#豎井龍門架已安裝完成并投入使用，現總結了安裝流程，具體內容如下。

3.1 龍門架安裝整體流程

施工準備→龍門架部件安裝→連接電葫蘆檢修平臺及附屬設施→安裝擋土支撐及擋土鋼板→龍門架試運行。

3.2 龍門架部件安裝順序

安裝施工順序為：地面組裝立柱和橫梁→按照順序吊裝立柱和橫梁組合件→吊裝導軌梁→吊裝剪刀撐、連系梁。

在地面將立柱與橫梁采用M22 螺栓連接為組件，須嚴格控制橫梁與立柱軸線垂直并居中。吊裝組件至基礎位置時，將其立柱底端連接鋼板與基礎預埋地腳螺栓連接。龍門架立柱安裝過程中，如垂直度偏差不大，可通過底部增加墊塊來調整，否則須將組件放平后對立柱底端進行加工處理。

吊裝中間立柱，方法同兩端立柱。嚴格控制立柱垂直度。

門框柱安裝完畢后，安裝導軌梁。在導軌梁頂部與橫梁接觸位置預制連接板，連接板與橫梁采用M22 螺栓連接。由于導軌梁跨度大，須使用兩根（或多根）I36a 工字鋼對接而成，連接處兩側對扣20 mm厚連接板，使用螺栓連接牢固。安裝行走梁時，在安裝行走梁先提前把電葫蘆安裝到比較長的一根。導軌梁吊裝過程須平穩，期間信號工與吊車司機須使用對講機隨時溝通，協調一致。吊裝前在導軌梁上事先進行捆綁纜風繩，用以牽引導軌梁吊運方向。

龍門架立柱上部縱向設置水平撐，水平撐采用120 mm × 120 mm × 5 mm 方鋼，剪刀撐及門框斜撐采用12a 槽鋼。水平撐、剪刀撐及門框斜撐與立柱接觸位置預制連接板，連接板與立柱采用M22 螺栓連接。

在龍門架一端設電葫蘆檢修平臺，檢修平臺外側設1.2 m 安全護欄。龍門架出土一側設置土倉，土倉骨架采用I20a 工字鋼預制而成。土倉立柱水平間距2.3 m，高度3.5 m，錨入地下深度1 m。在距地高度0.8 m、2.1 m 處設2 道橫桿，橫桿與立柱螺栓連接。橫桿內側滿鋪10mm 厚鋼板。

在龍門架立柱外側水平預制鋼板檁托，鋼板檁托與檁條之間采用M12 螺栓進行連接。在地面上使用螺栓將檁條之間連接好，隨后使用吊車吊運至龍門架預留位置，采用曲臂車配合人工使用自攻螺絲將彩鋼板固定在檁條上，屋頂需加工成人字屋面。彩鋼板封閉密實，板面之間搭接設置。待以上工作完成后，最后做龍門架調試檢測工作。

3.3 驗收內容

（1）金屬結構有無開焊和明顯變形；

（2）架體各節點連接螺栓是否緊固；

（3）架體的安裝精度是否符合要求；

（4）安全防護裝置是否符合要求；

（5）電氣設備及操作系統的可靠性；

（6）信號及通信裝置的使用效果是否良好清晰；

（7）鋼絲繩、滑輪組的固接情況；

（8）提升機與輸電線路的安全距離及防護情況；

（9）其他規定的檢驗項目；

（10）空載運行實驗；

（11）額定載荷實驗；

（12）超載25%實驗。

4 主要優點

4.1 制造成本低

螺栓連接預制龍門架的構成件型號簡單、統一，制造廠便于統一制造模具，大幅度降低龍門架構成件制作成本，并且便于制造過程中的質量監督，間接提升螺栓連接預制龍門架的成品質量。

4.2 運輸方便

改進后通過螺栓連接結構，將行走梁部位分成兩根并用螺栓連接，每段最長8 m。運輸時，選擇普通6.8 m 貨車運輸即可，可以減少運輸過程中的成本。

4.3 安、拆簡單，不損傷型材

傳統龍門架安、拆須要使用電氣焊，作業前須進行煩瑣的施工準備，作業過程中會產生廢氣影響環境，并且增加了現場火災、觸電等安全風險。此外，在拆除過程中，往往會損傷型材，對后續使用產生影響，降低龍門架型材周轉使用次數。

螺栓連接結構的龍門架可以解決上述問題。螺栓連接結構的作業前準備工作簡單，操作人工只需要板手和安全帶即可。安拆過程無動火作業，綠色環保，安全可靠。拆除后不損傷龍門架的型材，可按原設計位置重新安裝，周轉使用費用低。螺栓連接結構的龍門架安拆靈活方便、迅速，整體安、拆作業時間比傳統龍門架短，施工速度快，節省人力成本，大幅度縮短工期。

4.4 使用過程安全可靠

傳統龍門架的上下爬梯通過鋼筋焊在龍門架立柱上，改進后的螺栓連接預制龍門架選擇專業爬梯，再通過螺栓連接方式將專業爬梯與龍門架立柱連接。改進后的連接方式保證作業過程中的安全距離，使腳可以完全踩到爬梯上，避免傳統龍門架爬梯踏板窄往往只能腳尖著落在踏板上，保證人腳不踏空，提高上下爬梯作業人員的安全系數。

螺栓連接預制龍門架對電力線路做了專門的穿線管，且穿線管設計位置統一。電力線路穿線管設計合理，滿足電力安全操作規程規定，解決電力安全操作規程規定的施工現場臨時用電電纜線現場布設要求。穿線管的設計避免了作業過程中電力線路暴露在作業環境中，降低了線纜破損引發的觸電風險。

減少各類風險的同時，螺栓連接結構保證龍門架結構更穩定。

5 結束語

目前螺栓連接龍門架已經在電力工程實施，有效解決了現有龍門架運輸困難、安裝復雜問題，提高了作業效率，降低了現場作業風險，安裝靈活方便，安裝進度快。

后期通過采集現場使用過程的不足、不合理之處信息，持續改進完善。