超深竖井地面装配塔架起吊关键部位结构有限元分析及优化设计.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：陈阳（），男，四川广汉人，硕士，工程师，从事水电站设计及民用建筑结构设计工作。超深竖井地面装配塔架起吊关键部位结构有限元分析及优化设计陈阳，李茜，赖林（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ；国网四川省电力公司自贡供电公司，四川 自贡 ）摘要：结合超深竖井地面装配塔架系统组成及吊装方案，建立不同吊装工况下的吊点分析模型，利用数值模拟分析方法，对吊点结构的应力和变形进行有限元计算分析。分析确定了管轴式吊耳节点在吊装过程中的强度和刚度响应，并得到吊点附近主体结构杆件的应力变形情况，制定出吊点优化设计方案。该研究成果为某超深竖井工程地面装配塔架系统整体吊装的实施提供了可靠的理论依据。关键词：超深竖井地面装配塔架；整体起吊；吊点节点；管轴式吊耳；有限元；应力应变分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言某超深竖井工程地面装配塔架系统主体结构由管桁塔架和附属支撑两部分组成，管桁塔架采用管桁钢结构，附属支撑采用核心筒支撑体系或桁架支撑体系，图 为常见的地面装配塔架系统。本项目超深竖井地面装配塔架系统吊装采用整体吊装作业，吊装难点主要在于地面装配塔架系统管桁塔架的吊装，管桁塔架高度约 ，重量约 ，本次研究主要对地面装配塔架系统管桁塔架吊装方案的关键部位结构安全性进行分析复核并提出优化方案，保证吊装方案和吊装作业的安全性，并确保吊装作业不对主体结构安全使用造成影响。超深竖井地面装配塔架系统管桁塔架结构吊装，其重量大、高度高、施工安全性要求严格，为确保吊装过程的平稳安全以及保证吊装过程中主体结构没有过大变形，需对吊点及吊点附近的局部结构进行特殊计算分析。通过有限元数值计算分析，明确吊装过程中吊点的强度和刚度、节点区域变形、整体结构变形响应等情况，以便针对性地制定优化设方案，对吊点附近杆件应力较大部位实施杆件更换和加强，对于变形过大部位实施必要的附加支撑，对吊耳结构实施优化设计。图 常见的地面装配塔架系统结构 地面装配塔架系统管桁塔架吊装方案地面装配塔架系统管桁塔架为钢制变截面正方形桁架结构，底部根开 ，顶部宽 ，高 ，塔架连接方式为螺栓连接，均现场组装。通过前期方案分析和比选，制定了较为完善的吊装方案；吊装采用 台 履带吊作为主吊，分别位于地面装配书书书塔架（靠近吊耳）中轴线一侧；采用台 汽车吊进行溜尾作业以配合吊送；另采用 台 汽车吊位于管桁塔架顶端配合作业，以防止塔架吊装过程中顶部变形；吊装整体方案布置及吊点示意如图 所示。图 地面装配塔架系统管桁塔架吊装方案布置及吊点结构示意地面装配塔架系统管桁塔架总重约 ，质心位于 位置，根据要求管轴式吊耳吊点设置在质心 以上，本次吊装方案将吊点设置在管桁塔架质心之上 位置，即 高横梁位置。由于在整个吊装过程中，位置的两个主吊点对吊装安全性及结构安全性至关重要，为了保证该处吊点安全可靠并且防止吊装过程中对主体结构不造成不利影响，将吊点处横梁更换为 钢管，并设置 加强套管，加强套管上增设管轴式吊耳。同时，为保证吊装和整体结构安全，将 横梁上下连接件及斜向连接件更换为尺寸 钢管，以减小吊装过程中的变形；吊点附近的管材及加劲板材均采用 。吊装工况及荷载 吊装工况吊装工作将整体管桁塔架从水平地面扶正到垂直状态，根据吊装过程可将吊装工况分为 个部分，分别分为 水平工况、倾斜工况、倾斜工况和 垂直工况，管桁塔架在各吊装工况下的位置如图 所示。在相应吊装工况下，吊点与管桁塔架分别呈现 、和 的位置关系，如图 所示。图 各工况下管桁塔架位置状态图 各工况下吊点与管桁塔架位置关系 吊装荷载在吊装过程中，管桁塔架重力线竖直向下，由于吊装钢绞线与塔体之间需要预留一定的吊装角度，分析中取 予以计算。随着吊点升高即塔体自身姿态的变化，其与重力线的相对位置逐渐由 变化到 ，在这个过程中管轴式吊耳的受力方向是变化的，本次研究主要分析 种工况下吊耳节点的强度与变形，表 所示为不同吊装工况下管轴式吊耳节点的受力情况，其中 方向为管轴式吊耳管轴方向，方向为节点水平横杆方向，方向为节点竖向支管方向（如图 所示）；最大允许吊装荷载需满足正常吊装工况模式下 倍的荷载值。表 不同工况下管轴式节点荷载情况工况号塔身位置正常吊装荷载要求 最大允许条件下吊装荷载要求 水平位置 倾斜 倾斜 垂直位置 图 管轴式吊耳荷载施加模式 有限元模型及荷载边界 有限元分析及假定本文采用有限元软件 进行有限元分析，分析方法采用静力弹性分析法；研究管轴式吊耳节点在吊装过程中的强度和刚度，以及吊装过程中吊点附近主要主体结构杆件的应力及变形情况；校核吊耳节点在吊装过程中是否可能发生屈曲、失稳或是较大变形，以及吊点附近主体结构在吊装过程中的应力和变形。本文采用线弹性分析模型，借助荷载 应力应变响应结果，判断其结构应力应变效应。基于以上分析目标，有限元网格划分采用 节点 面体 单元和 节点 面体 退化单元，材料应力应变关系采用双直线模型，材料屈服强度取为 ，弹性模量取为 ，泊松比取为 。有限元模型建立及加载根据管轴式吊耳设计参数建立有限元几何模型，整体几何模型由轴管、连接板、吊耳、加劲板等结构组成，在焊缝连接部位利用连接节点耦合，整体几何模型如图 所示。由于相贯线焊缝附近和节点板位置具有不规则的空间几何关系，存在很强的应力集中现象，应力分布情况复杂，因此相贯线焊缝附近的网格划分需要足够小才能达到计算精度，最小网格控制为最小板件厚度的 ，划分网格后的有限元模型如图 所示。有限元模型建立及荷载约束施加完毕后，求解选用 中的 求解模块，首先进行特征值屈曲分析，以便检查模型建立及各参数设置是否有误，并为后续非线性分析提供基础求解参数。其次运用矩阵位移法对施加荷载后的管轴式节点进行非线性运算，得到相应的应力、位移及变形结果，作为后续分析的基础数据。非线性求解方法采用 （牛顿 辛普森迭代）法，分别求解正常吊装工况、超载工况和极端吊装工况下的管轴式节点强度及变形能力，并分析得到管轴式吊耳节点的最大安全吊装强度。图 管轴式吊耳节点几何模型图 管轴式吊耳有限元模型 分析结果及对比为保证设计和吊装作业的安全可靠性，对正常吊装工况和超载工况下管轴式吊耳承载力和变形进行核算分析。正常工况核算分析主要为正常安装作业时管轴式吊耳在表 所示吊装姿态下的结构响应，超载工况核算分析主要为考虑大风、吊装偏心等不利因素影响下吊装作业时管轴式吊耳在表 所示吊装姿态下的结构响应。管轴式吊耳节点强度在正常吊装荷载下，单个吊耳节点承受竖向荷载为 ，在表 工况下管轴式吊耳节点的应力分布有很大差别，图 为在 种吊装工况下管轴式吊耳节点的应力云图。由应力云图分析得到正常吊装荷载下，吊装过程中吊耳及与吊耳连接的加劲板应力较大，而主体结构杆件应力较小；在水平起吊 工况下，应力主要分布在加强套管与吊耳连接这一区域，加强套管与吊耳连接的加劲板受力最大，其连接根部出现屈服，屈服应力 ，但整体结构应力分布较小，主体结构杆件应力基本小于 ；在起吊 工况下，应力开始从加强套管区域向斜向杆件转移，同样加强套管与吊耳连接的加劲板受力最大，其连接根部出现屈服，屈服应力为 ，但整体结构应力分布较小，主体结构杆件应力基本小于 ；在起吊 工况和垂直 工况状态下，应力主要分布在塔体竖向 根斜支管与吊耳的连接区域，其中支管与吊耳连接的加劲板受力最大，其连接根部出现屈服，屈服应力 ，但整体结构应力依然分布较小，主体结构杆件应力基本小于 。图 各工况下管轴式吊耳节点的应力云图在超载工况如大风、吊装偏心偶然因素下节点可能承受远大于正常吊装荷载的特殊情况，为验算在超载工况下节点是否能够保证吊装安全性，对管轴式吊耳节点进行持续加载下的非线性分析，通过有限元非线性分析，得到了不同吊装工况下管轴式吊耳节点承受极端荷载逐渐增大（最大加载至 竖向荷载）情况下的应力分布，应力分布云图如图 所示。单个吊耳节点承受竖向荷载增大到 时，节点仍然未破坏，尚有一定强度和承载力，但材料屈服区域已经蔓延至主体结构，对主体结构后期使用有隐患。因此在保证主体结构不发生屈服情况下，工况 情形下单个吊耳节点允许的最大承载力约为 ，工况 情形下单个吊耳节点允许的最大承载力约为 ，工况 情形下单个吊耳节点允许的最大承载力约为 ，工况 情形下单个吊耳节点允许的最大承载力约为 。有限元计算分析得到的管轴式吊耳节点不同加载情况下的强度验算如表 所示。节点承受 吊装荷载时，节点结构整体材料屈服区域较小，基本集中在加劲板件连接根部，未出现在结构主体部位，节点整体强度和局部强度均满足安全吊装要求，该状态是所吊装的主体结构保持弹性工作不产生屈服区域可承受的最大吊装荷载（安全荷载）；节点承受允许最大 吊装荷载时，节点有局部区域屈服，主体结构处于弹性工作阶段，该状态是偶然情况下允许短暂时间达到的荷载限值；节点承受 吊装荷载时，节点大面积屈服，主体结构局部屈服，结构不满足强度要求，节点破坏，该状态仅为校核特殊极端荷载下结构的应力状况，实际情况不允许盖章工况出线。图 各工况下管轴式吊耳节点持续加载至 极端荷载的应力云图表 不同加载工况下管轴式吊耳节点强度验算情况起吊工况正常吊装荷载 荷载值状态允许最大吊装荷载 荷载值状态极端吊装荷载 荷载值状态工况 工况 工况 工况 节点和主体结构基本处于弹性工作阶段，结构满足强度要求，节点未破坏 节点局部区域屈服，主体结构处于弹性工作阶段，结构满足强度要求，节点为破坏 节点大面积屈服，主体结构局部屈服，结构不满足强度要求，节点破坏 管轴式吊耳节点变形管轴式吊耳节点在正常吊装荷载下强度满足要求，但仍需要对节点及杆件变形情况进行分析核算，表 为不同加载情况下节点变形情况。表 管轴式吊耳节点不同吊装荷载下的最大变形量起吊工况节点承受载荷量 工况 工况 工况 工况 节点承受 吊装荷载时，节点整体刚度较大，节点变形量较小，刚度满足要求；不同加载情况下，当吊装荷载小于 时，最大变形量基本控制在 以内，对于正常吊装荷载以及 允许最大超载吊装荷载情况下，节点变形基本很小。管轴式吊耳优化设计本次研究中超深竖井地面安装塔架各吊装荷载下管轴式吊耳节点强度及变形量分析结果如表 所示，整体结构安全满足要求，但管轴式吊耳周围出线较多应力集中区域，在实际实施过程中，可能存在板件加工缺陷、焊缝缺陷等不利因素影响，导致吊装作业过程中这些应力集中区域可能出现不可预见的安全隐患。为加强吊装部位的安全余度，进一步保证吊装的安全性，基于上述分析结果，对超深竖井地面安装塔架管轴式吊耳进行优化设计。首先根据有限元分析结果，应力集中和最大应力出现在加劲板和底环板、加劲板和结构支管连接部位，此类型焊接部位倒圆角有利于消除应力集中，在此处板件加工时进行边缘倒圆角处理。其次考虑到管轴式吊耳刚度较弱，在管轴式吊耳圆管内增加十字型加劲肋，同时在管轴式吊耳圆环板增加侧向三角加劲板，以便增加管轴刚度和环板平面外刚度。最后从底环板和加劲板的材料角度入手，采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度，从而减少应力集中的危害，主要采取表面热处理强化、薄壳淬火、喷丸强化、滚压强化等措施予以加强。表 各吊装荷载下管轴式吊耳节点强度及变形量分析结果汇总吊装状态起吊工况（）荷载值 强度状态吊耳应力状态主体结构应力状态变形状态最大变形量 控制变形量 状态评价节点是否丧失强度 是否变形过大是否满足安全使用正常吊装 出现局部小范围屈服，屈服应力 应力弹性未屈服状态，整 体 应 力 小 于 否 否是 否 否是 否 否是 否 否是允许最大吊装荷载 出现较大范围屈服，屈服应力 应力弹性未屈服状态，整 体 应 力 小 于 否 否是 否 否是 否 否是 否 否是极端吊装状态 基本大范围屈服，屈服应力 多个部位应力区服，屈服应力 否 是否 否 是否 否 是否 否 是否 结论本研究结合超深竖井地面装配塔架系统组成及吊装方案，根据塔架系统管桁塔架结构特点及管轴式吊耳节点结构形式，建立不同吊装工况下的吊点分析模型，利用数值模拟分析方法，对吊点结构的应力和变形进行有限元计算分析，确定了吊点管轴式吊耳在吊装