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82米竖转承重塔设计与应用

作者:建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间:2009-12-22 20:26:20 [收藏]


    摘 要:本文结合工程实例介绍82米竖转承重塔的设计与应用
    关键词:承重塔 竖转设计

    1、工程概况
    本方案采用65式军用墩塔建一座80米高起重塔,然后利用塔顶平台吊挂六台竖转用350吨液压穿芯千斤顶,通过138根Φ15.24?预应力钢绞线牵引在地面完成整体拼装的钢索塔;在竖转千斤顶的背侧安装有四组钢绞线,与四台350吨液压穿心千斤顶一起构成竖转起升平衡索;由后背锚、后背索、起重塔、起升索及钢索塔构成竖转受力体系实现钢索塔的竖转。钢索塔的转动通过焊接于索塔根两段箱体内的铰链实现。索塔搬转就位倾角调整完成后进行根部接口的焊接。起重塔作为承重塔承受竖转体系在垂直方向的合力,按照索塔竖转过程受力分析计算,承重塔最大竖向载荷约为2500吨。

    2、承重塔设计
    2.1 设计思路
    承重塔作为竖转受力体系的主要承重结构,首先要满足受力体系的安全性和实用性,同时又要兼作为施工临时设施所必须具有的经济性。由于竖转千斤顶及液压系统均安装在承重塔顶,要求塔顶工作平台必须具有足够的强度和充足的工作面积,以满足施工设备的安装和操作。通过对起重塔所需满足的性能的综合考虑,最终确定选用65式军用墩构件起重塔。从而达到即安全可靠又经济快捷的设计目的。
    2.2 承重塔结构

    承重塔结构由塔顶结构、塔身结构和塔根部结构组成,各部分结构根据承重塔受力特性决定其结构形式,各部分结构形式分述如下:
    2.2.1索塔根部结构
    索塔根部结构在索塔拼装阶段为刚性柱脚见图3:
    在塔根部结构的外侧两排立柱与承台间采用地脚螺栓刚性连接,为承重塔拼装过程提供稳固的根部支撑。当承重塔拼装完成,转入竖转施工作阶段,外侧两排立柱拆除,柱脚转换成铰支形式见图4:

    2.2.2索塔塔身结构
    承重塔塔身为变截面组合桁架结构由立柱、斜腹杆及水平腹杆组成。索塔在28米、54米高处设两个变截面,承重塔主立柱由双肢65军用墩组合而成,塔身高度78米。

    2.2.3承重塔塔顶平台
    塔顶平台结构图如下:

    承重塔塔顶平台为焊接钢平台,由于塔顶载荷较为集中,且受力较大,要求塔顶平台要满足索塔竖转起升载荷和后背索平衡载荷向承重塔的均匀传递,同时又具有足够的结构刚度克服不同方向外力所引起的平台结构变形,塔顶平台又是索塔竖转的操作平台。塔顶平台在工厂内制作和预装完成后,在塔顶进行整体拼装和焊接。
    2.3 设计计算
    由于承重塔采用标准杆件拼装而成,构造节点多,杆件数量大,要求塔体整体传力简洁明了。为满足承重塔的使用要求,针对承重塔拼装、竖转的不同工况进行了塔身结构在模拟工况下的结构安全性计算,以保证起重塔在各工况下的安全性。
    2.3.1承重塔拼装阶段结构安全性计算:
    承重塔拼装至塔顶其中平台后,塔身结构计算采用ANSYS结构验算程序实体建模。计算程序如下:
    1)按实际结构组成计算提升塔架、钢丝绳自重,打开重力加速度后由ANSYS程序自动计入
    2)主塔上附加荷载:200000 N
    3)提升塔顶部提升设备重量:120000N
    4)塔吊附作力:按顺桥向15吨、横桥向5吨集中力作用于塔吊与提升塔架接触点。
    5)风荷载(横桥向、顺桥向)
    西安当地最高风速为23.3m/s,属于九级烈风,计算风压为q=0.613v2=0.613×23.32=332Pa,取q=350Pa。提升塔架塔身桁架结构的间隔比为a/h=1,查规范GB2811-83表6可得结构的风力系数为1.6,查规范GB2811-83表7可知型钢制成的桁架结构的充实率φ为0.3~0.6,查规范GB2811-83表8可得结构挡风折减系数为0.57。由风荷载计算公式 可计算出提升时顺桥向、横桥向各节各排杆件所受风荷载,杆件风荷载的具体计算过程从略,各立柱上的风荷载见表1所示:

    起重塔拼装过程按有风揽绳和无揽风绳两种状态进行结构安全性验算,验算项目主要为立柱及腹杆的变形和应力值。验算结果为:承重塔无风揽拼装到塔顶时,塔架腹杆的应力最大值为115MPa,如果没有钢丝绳揽风的约束,提升塔架第一节与第二节之间部分杆件的受力将超过失稳极限荷载,不能满足稳定性要求,需要增设钢丝绳凤揽。
    根据ANSYS验算结果,在承重塔最外侧边立柱上分别在28米、54米和78米处设∮28mm 钢丝绳,揽风绳的水平投影与钢桥纵轴线成45°夹角对称布置,与水平面夹角最大为45°。这样,无论提升塔架承受顺桥向风荷载,还是承受横桥向风荷载,提升塔架各部位构件的受力都满足强度与稳定性要求,可以安全地进行拼装作业,满足拼装过程安全性要求。

    2.3.2 承重塔竖转阶段结构安全性计算:
    1)西安灞河斜拉桥承重塔架构件主要技术参数
    西安灞河斜拉桥主塔提升承重塔架的结构形式采用空间格构形式,其中立柱与腹杆采用六五式军用墩,提升塔架顶部、底部纵横分配箱梁采用钢板组拼焊接,起吊索与后背索采用钢绞线。各类构件的主要技术参数详见表1所示。


    2主要荷载
    1).提升塔架、主塔及钢绞线自重,打开重力加速度后由ANSYS程序自动计入
    2).主塔上附加荷载:200000 N
    3).提升塔顶部提升设备重量:120000N
    4).塔吊附着力:按顺桥向15吨、横桥向5吨集中力作用于塔吊与提升塔架接触点。
    5).风荷载(横桥向、顺桥向)
    西安当地最高风速为23.3m/s,属于九级烈风,计算风压为q=0.613v2=0.613×23.32=332Pa。取q=350Pa。提升塔架塔身桁架结构的间隔比为a/h=1,查规范GB2811-83表6可得结构的风力系数为1.6,查规范GB2811-83表7可知型钢制成的桁架结构的充实率φ为0.3~0.6,查规范GB2811-83表8可得结构挡风折减系数 为0.57。由风荷载计算公式 可计算出提升时顺桥向第一排杆件所受风荷载为:

    3)最不利荷载组合
    根据GB3811-83,最不利荷载组合为:
    1)、自重+起升冲击荷载+吊重+运行冲击荷载+施工附加荷载+顺桥向风荷载
    2)、自重+起升冲击荷载+吊重+运行冲击荷载+施工附加荷载+横桥向风荷载
    其中起升冲击系数为1.1;运行冲击荷载为1.1。
    4)西安?灞河斜拉桥主塔提升塔架计算模型:
    采用beam4、beam44、link8、link10和shell63单元对主塔提升结构进行建模。起吊索与后背索采用link10单元,共计7个单元;提升塔立柱采用beam4单元,共计1520个单元;提升塔腹杆采用link8单元,共计2251个单元;提升塔上部提升大梁铰轴、主塔耳板铰轴均采用beam44单元,共计85个单元;提升塔上下部纵横梁、椭圆形主塔均采用shell63单元,共计93283个单元。结构按CAD图纸尺寸进行建模,整个结构有限元模型共计单元数101152个,节点数91777个。结构的有限元模型如图1.1所示。
    结构有限元模型的边界条件:约束提升塔架下部纵梁中部线的UX、UY、UZ、RX、RY,约束椭圆形主塔底部的UX、UY、UZ、RX、RY,以模拟铰支座,使提升塔与主塔都可以绕z轴自由转动;约束后背索2个接地点的三个坐标轴向的移动,以模拟后背索与地锚的连接。上、下部纵横梁之间作节点自由度耦合,以模拟钢板间的焊接。结构的约束情况如图7、8所示。

    5)0度工况强度计算结果
    (1)顺桥向风载0度工况强度计算结果
    有风工作状态时,提升大梁前部有六组提升索与椭圆形主塔耳板相连,提升大梁后部有四条后背索与地锚相连,此时结构所承受载荷包括结构自重、临时施工荷载、冲击荷载及顺桥向风荷载。该工况风荷载的计算风压为350N/m2,计算时将风压转化为作用在立柱上的线性分布载荷,风向考虑X向(顺桥向)情况。
    X向风时结构的迎风面积为8*80m,风力分布在5根立柱上,故每根立柱上的力为537.6N/m。沿X正向的第二排立柱因受前排立柱的遮挡,风力减弱,取挡风系数0.57,得第二排立柱上的线性分布载荷为537.6*0.57=306N/m。风力的作用情况如图所示。

    当刚开始提升主塔时,主塔处于水平状态,在该工况下,结构的最大应力为221MPa,位于提升塔下部箱梁结构。承重塔立柱的最大压应力为201MPa,承重塔立柱的最大压力为122吨;塔腹杆的最大拉力为8.4539吨,塔腹杆的最大拉应力为69.5MPa,塔腹杆的最大压力为11.1034吨,塔腹杆的最大压应力为72.1MPa。起重索的最大轴力为195.3吨,起重索的最大应力419.90MPa,后背索的最大轴力为259.57吨,后背索的最大应力为367.21MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为186 MPa,下部箱梁结构最大应力为221MPa,椭圆形主塔的最大应力为200 MPa。
    结构的变形情况:结构的整体变形情况如图所示,最大位移处于椭圆形主塔中上部,位移值是65.25cm(包括塔顶的连带位移)。提升塔架的最大位移为21.26cm,位于提升塔架的顶部。
    (2)横桥向风载0度工况强度计算结果
    有风工作状态时,提升大梁前部有三条提升索与椭圆形主塔耳板相连,提升大梁后部有四条后背索与地锚相连,此时结构所承受载荷包括结构自重、临时施工荷载、冲击荷载及横桥向风荷载。该工况风荷载的计算风压为350N/m2,计算时将风压转化为作用在立柱上的线性分布载荷,风向考虑Z向即横桥向情况。
    z向风时结构的迎风面积为3*80m,风力分布在4根立柱上,故每根立柱上的力为210N/m。沿z正向的第二、三、四、五排立柱因受前排立柱的遮挡,风力减弱,取挡风系数0.25,得第二排立柱上的线性分布载荷为210*0.25=52.5N/m,其余依此类推。风力的作用情况如图所示。

    当刚开始提升主塔时,主塔处于水平状态,在该工况下,结构的最大应力为218MPa,位于提升塔下部箱梁结构。承重塔立柱的最大压应力为201MPa,承重塔立柱的最大压力为123吨;塔腹杆的最大拉力为8.3吨,塔腹杆的最大拉应力为68.2MPa,塔腹杆的最大压力为11.24吨,塔腹杆的最大压应力为73MPa。起重索的最大轴力为195.3吨,起重索的最大应力419.90MPa,后背索的最大轴力为259.13吨,后背索的最大应力为366.59MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为194 MPa,下部箱梁结构最大应力为218 MPa,椭圆形主塔的最大应力为200 MPa。
    结构的变形情况:结构的整体变形情况如图所示,最大位移处于椭圆形主塔中上部,位移值是67.824cm。提升塔的最大位移为22.62cm。
    (3)钢塔为0度工况时的主要检算结论:
    a、当风载为顺桥向时,承重塔架下部结构最大应力为221MPa,位于下部中间纵向钢箱梁的底部局部范围;起重塔和钢塔其余部分的应力均满足强度要求。
    b、当风载为横桥向时,提升塔架下部结构最大应力为218MPa,位于下部中间纵向钢箱梁的底部局部范围;起重塔和钢塔其余部分的应力均满足强度要求。
    下部钢箱梁内部有一小块板子局部应力稍大,为应力集中所致。但考虑到该处对实际铰支座进行了加强和应力分散,故此处应力集中不会出现。再是所取计算风压大于九级烈风,又是按最不利荷载组合计算的结果,提升过程又是越来越趋于安全,故认为各部强度是满足提升要求的。
    6)钢塔为5度工况时强度计算结果
    (1)顺桥向风载5度工况强度计算结果
    当主塔提升至5度且风向为顺桥向时,承重塔架结构的最大应力为211MPa,位于承重塔下部箱梁结构。塔立柱的最大压应力为192MPa,塔立柱的最大压力为117吨;塔腹杆的最大拉力为8.12吨,塔腹杆的最大拉应力为66.8MPa,塔腹杆的最大压力为10.67吨,塔腹杆的最大压应力为69.3MPa。起重索的最大轴力为186.08吨,起重索的最大应力408.24MPa,后背索的最大轴力为257.29吨,后背索的最大应力为363.99MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为180 MPa,下部箱梁结构最大应力为211 MPa,椭圆形主塔的最大应力为191 MPa。

    (2)横桥向风载5度工况强度计算结果
    当主塔提升至5度且风向为横桥向时,提升塔架结构的最大应力为208MPa,位于提升塔下部箱梁结构。提升塔立柱的最大压应力为192MPa,提升塔立柱的最大压力为119吨;提升塔腹杆的最大拉力为7.96吨,提升塔腹杆的最大拉应力为65.5MPa,提升塔腹杆的最大压力为10.81吨,提升塔腹杆的最大压应力为70.2MPa。起重索的最大轴力为372.49吨,起重索的最大应力487.93MPa,后背索的最大轴力为256.86吨,后背索的最大应力为363.38MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为188 MPa,下部箱梁结构最大应力为208 MPa,椭圆形主塔的最大应力为191 MPa。
    (3)钢塔为5度工况时的主要检算结论
    为了考察各部应力变化趋势和变化量,对钢塔起升5度时的工况进行了计算,结果如下:
    a、当风载为顺桥向时,提升塔架下部结构最大应力为211MPa,位于下部中间纵向钢箱梁的底部局部范围;起重塔和钢塔其余部分的应力均满足强度要求。
    b、当风载为横桥向时,提升塔架下部结构最大应力为208MPa,位于下部中间纵向钢箱梁的底部局部范围;起重塔和钢塔其余部分的应力均满足强度要求。
    钢塔起升5度时,最大应力比0度时减少10Mpa,按0度工况同样分析,认为各部强度是满足提升要求的。
    7)钢塔为10度工况时强度计算结果
    (1)顺桥向风载10度工况强度计算结果
    当顺桥向风载主塔提升至10度时,结构的最大应力为199MPa,位于提升塔下部箱梁结构。提升塔立柱的最大压应力为182MPa,提升塔立柱的最大压力为112吨;提升塔腹杆的最大拉力为7.74吨,提升塔腹杆的最大拉应力为63.6MPa,提升塔腹杆的最大压力为10.18吨,提升塔腹杆的最大压应力为66.1MPa。起重索的最大轴力为353.15吨,起重索的最大应力463.60MPa,后背索的最大轴力为252.58吨,后背索的最大应力为357.32MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为173 MPa,下部箱梁结构最大应力为199 MPa,椭圆形主塔的最大应力为183 MPa。
    (2)横桥向风载10度工况强度计算结果
    当横桥向风载主塔提升至10度时,结构的最大应力为196MPa,位于提升塔下部箱梁结构。提升塔立柱的最大压应力为183MPa,提升塔立柱的最大压力为115吨;提升塔腹杆的最大拉力为7.58吨,提升塔腹杆的最大拉应力为62.4MPa,提升塔腹杆的最大压力为10.31吨,提升塔腹杆的最大压应力为67MPa。起重索的最大轴力为353.17吨,起重索的最大应力462.62MPa,后背索的最大轴力为252.14吨,后背索的最大应力为356.71MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为181 MPa,下部箱梁结构最大应力为196 MPa,椭圆形主塔的最大应力为183 MPa。
    (3)钢塔为10度工况时的主要检算结论:
    钢塔和起重塔各部应力均满足强度要求。
    8)钢塔为75度工况时顺桥向风载作用下强度计算结果
    当顺桥向风载主塔提升至75度时,结构的最大应力为131MPa,位于主塔底部支座附近。提升塔立柱的最大压应力为48.1MPa,提升塔立柱的最大压力为26.2吨;提升塔腹杆的最大拉力为1.62吨,提升塔腹杆的最大拉应力为13.3MPa,提升塔腹杆的最大压力为2.81吨,提升塔腹杆的最大压应力为18.2MPa。起重索的轴力为59.33吨,起重索的应力77.72MPa,后背索的轴力为54.24吨,后背索的应力为76.74MPa;提升塔上部箱梁结构最大应力为33.4MPa,下部箱梁结构最大应力为56.1 MPa,椭圆形主塔的最大应力为131 MPa。

    钢塔为75度工况时的主要检算结论:
    钢塔和起重塔各部应力均满足强度要求。
    9)总体强度检算结论:
    钢塔和起重塔各部应力均满足强度要求。
    通过对承重塔实体建模后的关键工序受力状态下的结构验算,从理论上验证了承重塔结构的安全性满足要求。
    2.4承重塔根部固接、铰支的选择
    承重塔在拼装和竖转阶段,采用两种不同的连接形式,根据承重塔在不同的施工阶段受力状况,在承重塔拼装过程中,钢塔根部采用与基础刚性连接的形式,以满足承重塔拼装过程中为塔结构自身提供稳定和承受塔吊附着传递到承重塔上的侧向力。当完成承重塔拼装和塔顶设备吊装并完成起重索和后背索系的初张调整后,由后背锚、后背索、承重塔、起重索及主塔共同构成稳定的受力体系。此时承重塔的稳定将依靠前后所系提供保障。由于主塔竖转过程中起升力随着竖转角度的变化而变化,而拉索由于索长较大在索力发生变化时将发生较大的天性伸缩。由此,势必引起承重塔的倾斜,而承重塔发生倾斜时在他的根部会产生较大的弯矩,造成承重塔根部立柱即承受较大轴向压力,有承受较大的弯矩,在此种受力状况下极易造成承重塔根部杆件受压失稳。从而影响整体承重塔结构的安全性。鉴于上述情况,在承重塔竖转工作阶段,将他根部结构转换为铰接形式,以达到简化根部结构受力,保证承重塔施工安全性。塔根部结构采用铰支形式后可满足竖转过程中承重塔在一定角度范围内的顺桥向偏斜,而不影响钢塔组合杆件受力后的安全性。但实际施工过程中为减小承重塔较大偏斜时在根部铰位置产生大的水平分力,当塔顶偏斜超过设定数值时,通过调整后背索长来调整承重塔的垂直状态。
    3、方案实施
    3.1 承重塔的下部构造和安装


    承重塔下部构造为横桥向由9排65式军用墩,纵桥向由8排军用墩组成。其中,纵桥向承重塔外侧分别由两排65军用墩构成外排非承重支架,内排每两排军用墩拼成一排立柱,构成两排承重塔柱。由于8号承台宽度不满足最外侧两排军用墩安装,在承台浇注时临时增设预埋件,用于安装临时支架,作为外排柱的安装基础。作为铰支柱脚结构的下铰座、上纵梁及上横梁,由于其承受的施工载荷大、受力形式复杂,均采用箱形焊接结构。其中下铰座安装要求较高,必须保证7个下铰座同心度偏差不大于2mm.下铰座与承台采用预埋螺栓固定,下铰座标高调整采用楔形垫铁,调整到位后将垫铁焊牢。
    最后采用高强度微膨胀灌浆料二次浇灌层灌实。
    承重塔底部结构安装重点是保证各安装柱脚标高偏差值控制在合力范围内。同时
    确保所有柱脚二次浇灌层浇注密实。构件的吊装采用23B塔吊配合250吨汽车吊实施。
    3.2 承重塔塔身构造及安装
    承重塔塔身构造为矩形截面桁架结构,塔身截面自下而上再8米、54米,相对标高出缩减至8米X2米截面,54米以上高度塔柱均为双65军用墩拼组而成。塔身结构均采用23B型塔吊吊装,为提高塔身结构拼装施工效率,根据塔吊回转半径范围内的吊装能力,将军用墩及腹杆在地表拼装成小的结构单元后,在调至安装位置。由于承重塔拼装均采用高强螺栓连接,因此拼装过程必须严格遵守高强螺栓施工技术规范,采用电动扭矩扳手,保证扭矩值得统一,确保各节点不出现漏拧、欠拧和过拧。承重塔拼装过程中必须严密监控塔身在横桥向和纵桥向的垂直度,确保塔顶垂直度偏差控制在20mm 以内。拼装过程中跟测量标高处垂直度偏差不大于h/2500.承重塔在竖转开始后满载压载24小时期间要对全部高强螺栓节16 承重塔塔身构造点进行检查,对由于压载后螺栓松弛的螺栓连接副不您到设计扭矩值。
    3.3 顶部起重平台构造及安装
    承重塔顶部起重平台由承重梁和横梁及斜拉撑共同组成,承重梁采用箱形焊接结构。各部件均在工厂内加工制作完成,并进出厂前预拼装。在承重塔塔身拼装完成后,进行起重平台的吊装。用23B塔吊将起重平台散件吊至塔顶进行拼装和焊接,起重平台与承重塔采用高强螺栓进行连接。当起重塔承载纵梁与军用墩连接法兰间存在间隙时,可采取加装垫片的方法,以保证接触面的密切贴合。承重塔承重梁间的连接焊缝按等强度连接要求施工。由于板材厚度较大,焊前要进行预热,焊后需进行保温缓冷。

    3.4 承重塔监控

    承重塔从拼装阶段开始,根据结构验算分析中高应力点的分布位置安装张弦式应变仪,从杆件的零应力状态开始测量取值。在承重塔拼装完成后在进行一次系统测试并记录测量值。在索塔竖转夹在开始后每间隔两分钟进行一次测试取值。并在家在20%、40%、60%、80%、100%状态下进行取值。在满载状态下与计算应力只进行比较,确认个测量部位测量值在理论计算值合理偏差范围内后。再结合压载状态下对竖转受力体系各部分检查结果判定是否正式竖转。
    在竖转过程中每4分钟进行一次应变测试,并结合承重塔的顶部偏斜在顶部纵桥向偏斜0mm、10mm、20mm、30mm、40mm、45mm、50mm时进行应变测试,并与该竖转角度范围内的承重塔架应力计算值制进行比照,当应变测试值出现突变时,应通知竖转控制中心停止起升油缸工作,查找和分析引起应力突变的原因。在调整数转系统状态使应变测试值回复正常后,再继续进行竖转提升。
    4、实施效果
    采用65式军拥墩支架搭设承重塔的方案,在本次施工中突出显示了施工便捷、承载可靠、成本低廉的特点,由于在承重塔根部结构采用铰支结构形式,解决了承重塔在竖转过称中因受力变化引起塔身垂直度变化时,在承重塔根部杆件上产生较大附加弯矩,而容易引起军用墩受压失稳的问题。在索塔竖转过程中通过应变测量结合承重塔垂直度测量,适时监控承重塔的受力状态,并最大限度的利用承重塔的结构性能,保证承重塔的连续竖转的进行。通过对比竖转过程的应力变化值,验证了承重塔结构分析计算的准确性和计算参数取值的合理性。
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