煉化裝置大型鋼結(jié)構(gòu)模塊化安裝數(shù)據(jù)分析與應(yīng)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(shè)2套15 m×9 m×46 m的綜合塔鋼結(jié)構(gòu)框架，該結(jié)構(gòu)屬于大型鋼結(jié)構(gòu)范疇，施工難度大。第1套綜合塔鋼結(jié)構(gòu)框架施工采用散裝法進(jìn)行，該方法是先分別預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的柱、梁，而后依次吊裝到相應(yīng)位置進(jìn)行安裝，需搭設(shè)超高腳手架進(jìn)行柱、梁的空中組對及焊接，高空作業(yè)情況多，安全風(fēng)險高，施工效率低。為解決此問題，研究采用模塊化技術(shù)進(jìn)行第2套綜合塔鋼結(jié)構(gòu)框架施工。模塊化鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點及受力情況復(fù)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(jìn)行分析，還需分析模塊劃分、預(yù)制及吊裝過程不同狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)的整體受力情況，以確保模塊化安裝不造成鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)及應(yīng)變，而傳統(tǒng)手算已無法實現(xiàn)如此復(fù)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(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，因鋼結(jié)構(gòu)連接復(fù)雜，有限元軟件亦不能自動進(jìn)行節(jié)點及雅可比計算并劃分網(wǎng)格，因而需進(jìn)行二次開發(fā)。由于吊裝過程持續(xù)時間較短，且惡劣環(huán)境下不能吊裝，因此分析計算不考慮風(fēng)載、溫度變化等外部因素的影響，僅考慮重力作用。數(shù)學(xué)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(wǎng)格組成，每個網(wǎng)格截面有n個高斯點，如圖1所示。

圖1 H型鋼結(jié)構(gòu)高斯點分布示意

有限元算法為[1]：設(shè)H型鋼網(wǎng)格內(nèi)任意高斯點坐標(biāo)應(yīng)力為{δx，δy，δz，τxy，τyz，τzx}，法向矢量為n，計算坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的余弦為{lx，ly，lz}。根據(jù)材料力學(xué)公式，任意高斯點法向應(yīng)力δn和切向應(yīng)力τn為：

則網(wǎng)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(quán)系數(shù)。

通過式（4） 可以計算出鋼結(jié)構(gòu)各網(wǎng)格的軸力、剪力和彎矩，賦予材質(zhì)特性后，經(jīng)有限元計算得到鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移及應(yīng)變值。算法經(jīng)APDL語言編程后，通過軟件API接口載入，實現(xiàn)在高斯積分原理下鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析。

3 模塊化單元的劃分與計算

施工現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域東西長60 m，南北寬24 m，考慮預(yù)留道路、腳手架搭設(shè)及吊裝位置，擬將該鋼結(jié)構(gòu)劃分為4個模塊，模塊分段見圖2，模塊劃分參數(shù)見表1。

圖2 模塊分段

表1 模塊劃分及應(yīng)力計算數(shù)據(jù)

鋼結(jié)構(gòu)在模塊化預(yù)制中，要盡量減少高空作業(yè)，避免搭設(shè)超高腳手架，確保預(yù)制不發(fā)生失穩(wěn)或應(yīng)變。因第1段鋼結(jié)構(gòu)模塊長×寬×高為15m×9m×11.3 m，為降低高空作業(yè)高度，預(yù)制時將高度與寬度互換，因此第1段鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸調(diào)整為長×寬×高為15 m×11.3 m×9 m。預(yù)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(jié)構(gòu)模塊相同，參數(shù)均為長×寬×高=15 m×各段高×9 m。因此，吊裝狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)模塊受力方向為結(jié)構(gòu)柱高度方向，預(yù)制時是構(gòu)造梁作為高度方向受力，需要進(jìn)行應(yīng)力分析，以確保預(yù)制時不發(fā)生失穩(wěn)。預(yù)制時整體應(yīng)變計算結(jié)果圖譜見圖3，從應(yīng)變圖譜可知該模塊應(yīng)變非常小，接近于0，方案可行。

圖3 預(yù)制時鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變分析圖譜

4 吊點的計算與選擇

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

模塊化預(yù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，溜尾吊耳設(shè)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(shè)主吊車?yán)硐氲觞c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(yīng)力、位移及應(yīng)變大小，繪制趨勢圖，得到應(yīng)力、應(yīng)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(jié)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(tài)下A、B兩吊點的應(yīng)力、位移及應(yīng)變值，取最小值后得到溜尾吊車?yán)硐氲觞c位置，溜尾吊點位置設(shè)置見圖5，計算結(jié)果見表3。

圖4 第一段鋼結(jié)構(gòu)模塊主吊點位置示意

表2 主吊車?yán)硐氲觞c計算數(shù)據(jù)

圖5 第一段鋼結(jié)構(gòu)模塊溜尾吊耳吊點示意

表3 溜尾吊車?yán)硐氲觞c計算數(shù)據(jù)

由表2可知，主吊耳位置與重心位置距離的變化與應(yīng)力、位移、應(yīng)變的變化不成比例，也無明顯規(guī)律，因此選取計算數(shù)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(jié)果為“失穩(wěn)”，加之B點會出現(xiàn)“割鋼絲繩”情況，因此選擇A點為溜尾吊車?yán)硐氲觞c。

5 吊裝過程動態(tài)應(yīng)力分析

吊裝施工為動態(tài)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(tài)變化會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)模塊受力不同，需分別進(jìn)行力學(xué)分析，以判斷吊裝方案是否可行或考慮對應(yīng)變處進(jìn)行加固，確保鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程無應(yīng)變，計算結(jié)果見圖6及表4。

圖6 吊裝過程中鋼結(jié)構(gòu)及吊耳應(yīng)力分析圖譜

表4 吊裝過程應(yīng)力計算數(shù)據(jù)

從表4的分析結(jié)果可知，吊裝過程中鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值小于材料屈服強(qiáng)度（345 MPa），應(yīng)變非常小，吊耳根部應(yīng)力值大于345 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.065，需實施加固措施。

6 加固措施與分析

吊裝過程中應(yīng)變僅發(fā)生在吊耳處，分析原因是次梁鋼結(jié)構(gòu)翼緣板外延薄弱，吊耳與翼緣板焊接，吊裝受力后產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生應(yīng)變，需用加強(qiáng)筋對吊耳進(jìn)行加固處理，措施示意見圖7。

圖7 加強(qiáng)筋加固示意

加固完成后，需再次對鋼結(jié)構(gòu)及吊耳整體進(jìn)行應(yīng)力分析，以0°～45°為例，分析結(jié)果見圖8。從圖8可知，加固后極限狀態(tài)下最大應(yīng)力33 MPa（＜345 MPa），應(yīng)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(jīng)力學(xué)分析，模塊化安裝過程中的應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)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(jìn)場開始至5月4日第4段鋼結(jié)構(gòu)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(jié)約40 d；同時，模塊化安裝避免了超高腳手架的搭設(shè)，雖然增加了部分大型吊車的臺班費(fèi)用，但與節(jié)約的小型吊車臺班、人工及腳手架搭設(shè)費(fèi)用相比，經(jīng)濟(jì)效益仍顯著；因在地面進(jìn)行深度化預(yù)制，安裝質(zhì)量受控，減少了因高空作業(yè)而出現(xiàn)的質(zhì)量控制盲區(qū)。鋼結(jié)構(gòu)模塊吊裝現(xiàn)場施工見圖9。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)模塊吊裝

8 結(jié)束語

本文通過對有限元分析方法的二次開發(fā)與應(yīng)用，分析了不同吊點位置對吊裝過程中鋼結(jié)構(gòu)模塊的整體受力情況的影響，通過分析結(jié)果，確定了吊裝理想吊點位置，得到不同吊裝狀態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化結(jié)果，為鋼結(jié)構(gòu)模塊化安裝提供了數(shù)據(jù)支持與理論依據(jù)，實現(xiàn)了綜合塔鋼結(jié)構(gòu)框架的模塊化施工，降低了安全風(fēng)險，提高了施工效率，節(jié)約了施工成本，保證了施工質(zhì)量[3-5]，經(jīng)濟(jì)效益顯著。該方法不僅在類似工程中有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值，還可應(yīng)用于復(fù)雜應(yīng)力計算及大型設(shè)備吊裝中，有廣闊的應(yīng)用前景。