倒三角起重臂預(yù)起拱制作與檢測(cè)技術(shù)

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[摘要]針對(duì)平頭塔機(jī)起重臂在現(xiàn)場(chǎng)制作和驗(yàn)收過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)工藝調(diào)研和理論計(jì)算對(duì)比3種質(zhì)量控制方案的優(yōu)劣，為現(xiàn)場(chǎng)正組合驗(yàn)收提供了參考標(biāo)準(zhǔn)和合格判據(jù)。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；起重臂；預(yù)起拱；正組合

平臂塔機(jī)因安裝方便、變幅速度快、覆蓋范圍大等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于建筑施工項(xiàng)目。在起重吊裝作業(yè)過(guò)程中，起升載荷向外變幅隨著幅度的增加而起重力矩負(fù)荷率增加，穩(wěn)定性下降，危險(xiǎn)性加大。為防止意外發(fā)生，平臂塔機(jī)起重臂在設(shè)計(jì)和制作時(shí)通常略微上揚(yáng)，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(fù)荷率和安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。平頭塔機(jī)起重臂自重應(yīng)力在材料利用率中占有較大比例，預(yù)起拱的控制由于生產(chǎn)制作方式的不同，實(shí)現(xiàn)效果有時(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。在驗(yàn)收時(shí)只能跟隨制作過(guò)程檢測(cè)，難以得到客戶現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)的對(duì)比使用數(shù)據(jù)，也缺乏相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)支持，需要設(shè)計(jì)進(jìn)一步的分析指導(dǎo)。

1預(yù)起拱方式

平臂塔機(jī)按照有無(wú)塔尖結(jié)構(gòu)可分為塔頭塔機(jī)和平頭塔機(jī)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)起重臂預(yù)起拱采用不同的方式。塔頭塔機(jī)起重臂一般采用正三角結(jié)構(gòu)，通過(guò)前拉桿從塔帽頂部連接起重臂中部。因?yàn)樗焙屠瓧U的存在，起重臂在制作時(shí)可不考慮預(yù)起拱，而是通過(guò)設(shè)計(jì)減少拉桿長(zhǎng)度，使起重臂微微上翹1°～1.5°。平頭塔機(jī)起重臂屬于懸臂結(jié)構(gòu)，起重臂預(yù)起拱只能通過(guò)自身構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。起重臂上弦桿各段之間鉸接時(shí)設(shè)計(jì)適當(dāng)轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)制作時(shí)考慮下弦桿保持端面頂緊，形成一條鏈?zhǔn)綊佄锞€，實(shí)現(xiàn)起重臂平滑上揚(yáng)[2]。大型平頭塔機(jī)起重臂可采用正三角或倒三角結(jié)構(gòu)，選用倒三角結(jié)構(gòu)時(shí)，因各段受力差異較大，在結(jié)構(gòu)材料選取和轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)時(shí)，各段設(shè)計(jì)預(yù)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(jì)算校核和制作加工，難以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)工裝。起重臂在分段制作桁架過(guò)程中因倒三角的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，一般采用正三角組合方式進(jìn)行拼裝。考慮自重應(yīng)力的影響，制作過(guò)程和工作狀態(tài)屬于截然相反的受力工況，需要對(duì)結(jié)構(gòu)制作過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

2受力工況分析

起重臂在工作狀態(tài)下的載荷組合工況是設(shè)計(jì)控制的主要內(nèi)容，通過(guò)設(shè)計(jì)資料輸出反應(yīng)起重臂結(jié)構(gòu)制作標(biāo)準(zhǔn)值。起重臂設(shè)計(jì)在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可采用根部固定方式，也可以固定回轉(zhuǎn)塔身；在剛度計(jì)算時(shí)需采用整機(jī)校核。各種工況起重臂都處于倒三角狀態(tài)，且各段之間沒(méi)有外部約束和支座反力。在設(shè)計(jì)輸出時(shí)，一般項(xiàng)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(chǎn)工藝人員難以預(yù)判整體裝配后的變形量，需要設(shè)計(jì)單獨(dú)提供預(yù)拱度尺寸數(shù)據(jù)，如圖1所示。在起重臂部件制作和驗(yàn)收過(guò)程中，因生產(chǎn)條件限制無(wú)法剛性固定回轉(zhuǎn)塔身，為保證起重臂單部件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要對(duì)起重臂進(jìn)行分段支墊，受力狀態(tài)完全不同。生產(chǎn)制作約束狀態(tài)如圖2所示。起重臂倒置組合制作驗(yàn)收時(shí)，由于各段上主弦桿均被工裝支墊，不存在整體懸臂自重應(yīng)力，只有各段區(qū)間的單節(jié)自重應(yīng)力影響。隨著工裝支墊的增加，單段自重?fù)隙扰c圖1所示整體懸臂工況相比可以忽略。在制作過(guò)程中，可以按照設(shè)計(jì)校核的預(yù)起拱尺寸數(shù)值D鏡像放樣，直接制作。桁架組合后，因結(jié)構(gòu)制作相關(guān)工序要求，起重臂不能一次性完工，因此需要在預(yù)裝配拆分前進(jìn)行組合精度控制。起重臂整體驗(yàn)收時(shí)以起重臂設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，把圖紙角度參數(shù)轉(zhuǎn)化為高度參數(shù)[3]，將設(shè)計(jì)放樣數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)組合數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證制作是否符合圖紙要求。因每段起拱角度數(shù)值較小，單件測(cè)量精度受限，對(duì)解體后的起重臂單部件不再進(jìn)行復(fù)檢。

3檢測(cè)方案對(duì)比

起重臂結(jié)構(gòu)制作可以按照鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)收規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行驗(yàn)收，但對(duì)于預(yù)起拱沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可以參考。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)模擬實(shí)際使用的倒三角狀態(tài)；在生產(chǎn)制作時(shí)根據(jù)工廠條件采用的組合工藝為正三角狀態(tài)，兩種狀態(tài)的差異給檢驗(yàn)帶來(lái)了很多問(wèn)題。為確保起重臂預(yù)起拱制作質(zhì)量，我們制定了3種質(zhì)量控制方案，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。

3.1方案一：制作過(guò)程驗(yàn)收

為防止在結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中非生產(chǎn)要素引起的定位變化，在上主弦桿約束的基礎(chǔ)上，下主弦拼裝時(shí)通過(guò)螺栓或焊接點(diǎn)固，保證制作過(guò)程的尺寸穩(wěn)定。質(zhì)量控制配合制作工藝，在主要結(jié)構(gòu)拼裝之后、大組合拆分前進(jìn)行起重臂整體結(jié)構(gòu)尺寸驗(yàn)收，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)輸出原始尺寸。但此種檢測(cè)方案與最終使用狀態(tài)不一致，與設(shè)計(jì)意圖的自重應(yīng)力方向相反，也不能驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，因此沒(méi)有得到所有客戶的認(rèn)可。

3.2方案二：倒組合驗(yàn)收

為驗(yàn)證起重臂在后續(xù)焊接作業(yè)完成后，是否對(duì)主結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生影響，在所有結(jié)構(gòu)制作工序完成后，對(duì)起重臂進(jìn)行倒組裝驗(yàn)收，對(duì)所有上主弦桿進(jìn)行支墊，模擬制作狀態(tài)進(jìn)行起重臂驗(yàn)收。

3.3方案三：正組合驗(yàn)收

為消除支座高低對(duì)起重臂結(jié)構(gòu)變形的影響，最大程度模擬起重臂空載工況的狀態(tài)，選擇在起重臂節(jié)二上主弦桿節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行如圖3所示豎直支墊。因起重臂整體重心已經(jīng)在節(jié)點(diǎn)3的右側(cè)，為保持穩(wěn)定在起重臂節(jié)點(diǎn)5處加設(shè)彈性支撐，將約束載荷反饋給設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算給出當(dāng)前狀態(tài)的自重下?lián)现礷?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收前將圖示沒(méi)有的約束支墊全部拆除，測(cè)量起重臂預(yù)拱度數(shù)據(jù)。驗(yàn)收時(shí)，為統(tǒng)一基準(zhǔn)，將起重臂節(jié)二軌道調(diào)成水平，測(cè)量軌道踏面作為起拱數(shù)據(jù)。記錄3種方案的記錄結(jié)果依次為Za，Zb，Zc，3種方案測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。表中符號(hào)含義如下。

4數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收狀態(tài)起重臂節(jié)二的初始角度為0°，作為本次驗(yàn)收的水平基準(zhǔn)，圖紙放樣預(yù)起拱數(shù)據(jù)為D，設(shè)計(jì)提供起重臂自重下?lián)蠟閒z。設(shè)起重臂設(shè)計(jì)圖紙節(jié)二的總轉(zhuǎn)角為α，則有按驗(yàn)收狀態(tài)折算節(jié)點(diǎn)n的自重下?lián)蟜an起重臂起拱數(shù)據(jù)雖然用高度數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，但實(shí)際設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)的公差范圍與測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的距離成正比。經(jīng)設(shè)計(jì)評(píng)估起拱偏差參照直線度要求，按照1/1000控制，得出合格判據(jù)Ds。經(jīng)計(jì)算各方案測(cè)量結(jié)果偏差如表2所示。表中fa——起重臂各轉(zhuǎn)角折算的節(jié)點(diǎn)起拱；Za——起重臂各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際起拱；Ds——預(yù)起拱允許結(jié)構(gòu)制作偏差。1）方案一制作起拱和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)偏差Da較小，說(shuō)明制作過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求。2）方案二驗(yàn)收數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)偏差Db較大。經(jīng)設(shè)計(jì)模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)分析：制作的輕微偏差即使在允許范圍內(nèi)，也會(huì)導(dǎo)致頂緊發(fā)生過(guò)壓或松弛情況；現(xiàn)場(chǎng)為檢查下主弦桿是否貼實(shí)，支墊高度需要比制作狀態(tài)更高?，F(xiàn)場(chǎng)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(yīng)力，不是純自重狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收既不能反映結(jié)構(gòu)制作精度，也不能反應(yīng)自重狀態(tài)，對(duì)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)制作無(wú)法驗(yàn)證。從表中數(shù)據(jù)分析，支墊工裝存在調(diào)節(jié)過(guò)高現(xiàn)象。3）方案三驗(yàn)收數(shù)據(jù)Dc更真實(shí)地反映了起重臂工作空載狀態(tài)下的起拱狀態(tài)。驗(yàn)收時(shí)未能意識(shí)到結(jié)果的偏差會(huì)比方案一偏大，但考慮起重臂整體組合后，各段誤差會(huì)均對(duì)遠(yuǎn)離支墊的位置造成累計(jì)影響，按角度分析判斷更符合設(shè)計(jì)意圖。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)平頭塔機(jī)倒三角起重臂現(xiàn)場(chǎng)制作和驗(yàn)收過(guò)程中存在問(wèn)題的調(diào)研，從工作狀態(tài)和制作狀態(tài)的差異著手，指出現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收偏差較大的原因，并為現(xiàn)場(chǎng)正組合驗(yàn)收提供參考標(biāo)準(zhǔn)和合格判據(jù)。1）當(dāng)客戶提出制作狀態(tài)驗(yàn)收與實(shí)際工況不符后，以客戶關(guān)注為焦點(diǎn)，為打消疑慮，本項(xiàng)目采用正組合方式進(jìn)行驗(yàn)證性復(fù)檢。部件驗(yàn)收條件不同于整機(jī)驗(yàn)收，有些參數(shù)仍然需要設(shè)計(jì)指導(dǎo)才能進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果間接驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制作的有效性。2）倒三角起重臂正組合狀態(tài)更符合起重臂空載受力狀態(tài)。起重臂在自重作用下，可以將軸孔加工配合公差、結(jié)構(gòu)焊接變形和下主弦桿端面頂緊配合等因素更好地體現(xiàn)出來(lái)。3）起重臂倒置組合狀態(tài)更符合生產(chǎn)制作實(shí)際，在組合的過(guò)程中也更為安全，通過(guò)倒組合工況的驗(yàn)收，驗(yàn)證生產(chǎn)制作過(guò)程質(zhì)量控制能夠滿足起重臂預(yù)起拱結(jié)構(gòu)要求，是一種行之有效的工藝方法。

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作者：郝好峰 范開(kāi)英 沈蘭華 洪郴 單位：中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司