模块吊装设计优化分析_李彦国.pdf

建筑设计建 筑 技 术 开 发 29Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月模块吊装设计优化分析李彦国（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）摘要 吊装设计是模块设计中的重要一环。通过对模块结构的吊装设计分析，介绍了吊装的基本流程、对常见的几种吊装方式分别予以分析，对模块分片吊装、整体吊装、荷载组合、杆件及节点设计加以论述，以对类似设计提供借鉴。关键词 汽车式起重机；门式起重机；平衡梁；模块重控；千斤顶 中图分类号 TU 74 文献标志码B 文章编号1001-523X(2023)02-0029-04OPTIMIZATION ANALYSIS OF MODEL LIFTING DESIGNLi Yan-guo Abstract Lifting design is the important part of the LPG model design.Through LPG model structure lifting design,this article gives analysis about some kinds of liting methods during its process,at the same time also describes the model integrate lifting,layer lifting,load combination,structure member and joint lifting design etc.Keywordstruck crane;gantry crane;spreader beam;weight control;jack对于模块化设计而言，吊装设计是其中的重要一环，制造厂吊装能力、运输过程的倒运能力，现场就位吊装机具能否匹配，均决定了模块的最大尺寸及重量。作为模块的设计方应预先确定各阶段采用何种吊装机具，如汽车式起重机、门式起重机等，并由吊装实施单位给出相关机具性能，包括起重机、平衡梁、吊绳、卸扣的自重及额定荷载，据此确定吊装方案，核算吊装工况。设计单位提出的吊装方案应包含以下内容：模块结构的平、立面布置图、模块总重及重心位置，模块整体吊装示意图、吊耳平面布置及详图，吊耳处模块在竖向的重量，重控报告、称重要求等。1 常见吊装形式1.1 单钩四吊点吊装工程中常用为陆地上单台吊机单钩四吊点吊装的简单模式，一般由吊装单位编制吊装方案并进行实施。此时吊绳与水平面的夹角应不小于60且不大于90，当角度变大时应考虑吊绳最大长度及起重机最大伸臂高度，此吊装的要点是吊钩位置与模块重心在水平面重合，避免产生偏心弯矩增大吊绳的拉力，一般情况下可调整吊绳长度让二者合一。当重心与吊钩偏差较多导致吊绳匹配难度较大时，如吊机吊重富裕度较大时也可采用局部增加配重调整重心位置。1.2 多层平衡梁组合对吊装模块来说吊绳角度均为90时为最佳布置形式，此时构件及连接受力最优，但大多数情况下需采用多层平衡梁模拟双向偏心位置，调整吊钩与模块重心的位置合一，吊装机具布置如图1所示。平衡梁平衡梁平衡梁吊装模块图1 多层平衡梁组合示意1.3 组合四点吊装两台起重机组合吊或门式起重机上下小车组合吊时，通常两两间为竖直平行关系，在两吊钩连线上的偏心由起重机或上下小车各自承担，但对于垂直于连线上的偏心需调整吊绳长度或采用平衡梁来调整。如本次的液化石油气（LPG）框架模块重达440 t，从陆地运送到浮式生产储油卸油装置（FPSO）上时，上小车侧需采用平衡梁且大于模块吊点间尺寸，而另一侧下小车两吊点则小于吊点间尺寸，布置如图2 收稿日期：20230109作者简介：李彦国（1975），男，山西晋中人，高级工程师，主要研究方向为结构设计。建筑设计建 筑 技 术 开 发30 Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月所示。下小车吊缆下小车吊缆上小车撑杆钢丝绳钢丝绳卸扣卸扣图2 组合四点吊装示意2 吊装荷载吊装时首先需考虑在起吊状态下模块自重与吊钩起吊的静力平衡，其次为与场地和起吊方式相关的动力放大系数，再根据机具及构件的具体位置考虑其重要系数，由此分别计算模块内构件、吊点、吊绳及吊机等荷载。吊装工况模拟时索具模拟为刚性无限大杆件，与上部吊钩及下部模块伸出吊点采用铰接连接。起吊模块底部节点处纵横双向各设置一个水平弹簧约束，当弹簧支座受力接近于0时表明吊点合力位置或吊钩处于模块重心正上方，否则应调整吊绳长度及角度使吊钩与重心水平位置合二为一，此时即认为处于静力平衡状态，由此可得出单个吊点及索具的荷载。根据API RP 2A3中关于吊装的相关规定：近岸有遮挡海区的吊装，吊点及与其直接相连杆件内力乘K=1.5动力系数，其他杆件乘K=1.15动力系数，当在开敞无遮挡的海上吊装时，动力系数分别采用K=2.0及1.35。此处的动力系数可以理解为简化的吊装放大系数，是多个系数的综合且有一定的限定条件，详细将在后续具体分析。对于吊装过程中涉及的各种系数在API RP 2MOP4中有详细的描述，可用以下的公式来概括：K=KWCF KDAF KCOG KSKL KCSQ （1）式中：KWCF 为重量偏差系数，当为计算重量时采用1.05，当为现场实际称重重量时采用1.03。KDAF 为吊装动力放大系数，根据吊装场地在海上、近岸或陆地，吊装时吊机自身是否移动及起吊重量采用1.01.3的系数，注意此处吊臂上下移动或绕转盘水平转动与整机水平移动具有不同的效应，系数取用时应区别对待。KCOG 为模块重心偏移系数，需采用假定不同方向上重心偏移的包络方式进行计算，当未采用时其系数按经验采用1.021.05。吊装验算采用KCOG考虑计算重心与实际重心间偏差所引起的重力在不同吊点间的分配，通常是将模块重心在水平面上沿纵横双向各偏移0.5 m，同时相应调整模块上方吊钩位置，使吊钩始终位于模块重心正上方，从而计算出不同吊点的最大吊装荷载，这种方式通常采用在吊点处施加大小相等方向相反的竖向力模拟由偏心所带来的弯矩实现，如图3所示，其中W为模块自重。4B4B4B4BWWWWC.O.G4L4L4L4LWWBWWL图3 吊装验算当模块吊装前进行了称重，给出了其重心时建议KCOG取用最小系数1.02。KSKL 为吊绳不匹配系数，根据吊绳的匹配方式采用1.25的系数模拟。吊装验算采用KSKL考虑因吊绳长度误差造成的不均匀受力工况，以四点吊为例，当吊绳为沿对角线单根对折设置时，应分别将对角线上吊绳增加其竖向吊重的25%模拟，共两种情形如图所示。吊装模块吊装模块1.251.251.251.251.01.01.01.0（a）（b）图4 吊装示意（a）示意1；（b）示意2建筑设计建 筑 技 术 开 发 31Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月当采用独立的四根吊绳时，每两条吊绳处增加其竖向吊重的25%，还应在以上两种情况上叠加以下4种情形如图5所示。吊装模块吊装模块1.251.251.251.251.251.251.251.251.01.01.01.01.01.01.01.0吊装模块吊装模块（a）（b）（c）（d）图5 4种吊装情形（a）吊装1；（b）吊装2；（c）吊装3；（d）吊装4以上组合模拟的是假定吊绳或吊装模块在制造精度不满足要求时的吊装工况，如果吊前标定均满足要求，应当适当减小或设计不予考虑而由吊装单位根据现场实际情况采用。KCSQ 为重要系数，吊点及其连接板件内力需乘1.35系数，模块与吊点直接相连杆件内力需乘1.15系数，模块内其他杆件乘1.00动力系数。本次吊装在陆地上采用可移动门式起重机进行，采用了API RP 2A的吊装系数，实际其效应与API RP 2MOP中的基本一致，比较见表1。表1 吊装系数构件API RP 2AAPI RP 2MOP吊点1.5K=KWCF KDAF KCSQ=1.051.11.35=1.56其他构件1.15K=1.051.11.0=1.1551.16对于场地较为复杂、起吊重量较大及对吊装构件需进一步细分时应当采用API RP 2MOP中给出的方法进行吊装荷载的计算。3 吊装荷载组合吊装荷载组合见表2。表2 吊装荷载组合列表组合工况组合列表1（4点吊力+WDRY）+Wind2（4点吊力+WDRY+重心偏移模拟力矩+Wind3K（4点吊力+WDRY）+重心偏移模拟力矩+Wind注：（1）上表以4点吊装为例，吊具经吊前标定均满足要求，其他以API RP 2A为依据。（2）WDRY表示吊装模块干重，Wind 表示风荷载。（3）K=1.15或1.50。4 吊具确定及吊点设计单机荷载（吊钩处吊重）不得超过其额定起重量的80%。选取吊绳时其最小破断力一般不小于任一吊绳最大受荷标准值的4倍，并不小于其3倍。选取卸扣时其额定工作荷载不得小于对应吊绳最小破断力的3倍。以上部分通常由吊装单位负责编制的吊装方案中给出，仅给出原则性的选取建议。通常情况下荷载较小时宜设置吊耳，荷载较大时设置耳轴，本文重点讨论吊耳设计。当吊绳与水平面有角度时，吊点布置需将各点吊耳角度调整至与吊绳一致避免平面外受力，注意因每对吊绳会对其间部分模块构件形成一定的压力，需核算相连构件及节点承载力是否满足受压要求。本次结构设计采用美标AISC360052中的许用应力法（ASD），构件及板件的许用应力值不再提高1/3。吊点设计时除应考虑吊绳产生的竖向力与水平力外，还应附加大小为吊点设计荷载5%的水平横向力，作用点位于销轴中心线处，方向垂直于吊耳平面。吊耳设计时如图6所示位置处强度均应满足设计要求。端截面抗劈裂主板与结构连接净截面抗拉销轴处抗压贴板主板主结构图6 吊耳设计示意吊耳的构造要求也非常重要，吊耳通常由主板、贴板及补板构成，为确保主板强度及刚度，任一贴板厚度均不宜超过主板的50%。另应根据卸扣型号确定板上吊孔大小，并确保吊孔上部耳板高度及总板厚与卸扣、吊绳互相匹配，当为使卸扣与耳板在吊装时保建筑设计建 筑 技 术 开 发32 Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月持对中而设置补板时，因不参与受力其开孔应比下述吊耳开孔相应加大。吊耳开孔孔径D：卸扣销轴d50 mm时，D=d+2 mm卸扣销轴d50 mm时，D=1.04 d 且Dd+4 mm；其他构造要求详见API RP 2MOP、GB 500172017钢结构设计标准1及AISC36005中耳板及销轴部分规定。模块吊点通常设置在其上部，为便于传力一般设置在柱顶处，起吊力由柱、梁及竖向撑可靠传递至下部吊装模块，但应注意当为中间模块时不得设在柱顶处妨碍上下柱拼接，此时吊点宜设置在柱顶外侧并避开连接区域，当模块就位后吊点原则上可保留，但不应影响后期使用。5 吊装流程简述模块吊装分为工厂预制组装时分片吊装和运输或就位过程中的整体吊装。分片吊装的验算和施工方案、所在场地、分片制做进度、分片组模方案、吊装方案及验算等由相应加设单位或模块制造厂提出并实施。通常此阶段的验算较为简单，但应注意模块各片的最大尺寸及重量需与工厂吊机吊装能力匹配，避免临时更换。另外此阶段吊装时一般不设专用吊点，仅将索具绑在构件适当位置上，一般会选在柱上或梁柱节点处，但应由设计方确认。整体吊装方案及吊装过程验算和结构构件、管道、设备、电、仪槽板等重量及其分布相关，应由设计方提出及实施，但需提前和建造工厂、运输单位、现场吊装就位方就吊装方案沟通确认。吊装时严禁私自拆除构件，以免导致事故发生。本工程模块整体吊装时采用移动式门式起重机进行。模块吊装前应按其就位方位摆放正确，起吊0.5 m后应原位停顿，确认吊具及模块状态均正常后再升高并随门式起重机移动至其安装位置。模块在吊装过程中任一点倾角均 不大于2。在