论文部分内容阅读
摘要：有井架提升模板施工工艺以其设备简单、便于操作、工程质量容易控制、施工成本较低等优点，在140m以下烟囱等高耸构筑物工程中较多利用，井架的承载能力和安全稳定性是保证工程下正常施工的关键。本论文结合国能望奎生物发电1×30MW扩建120m烟囱工程为实例，对有井架提升模板施工工艺的竖井架及提升系统的安全稳定性进行了系统的验算。
关键词：竖井架；提升系统；安全稳定性
前言
目前，在钢筋混凝土烟囱工程施工中，一般主要采取以下两种施工工藝，一种是有井架提升模板施工工艺，另一种是液压滑模施工工艺。而有井架提升模板施工工艺以其设备简单、便于操作、工程质量容易控制、施工成本较低等优点，在100m 乃至140m以下烟囱等高耸构筑物工程中较多利用，其工艺原理是外模采用滑模原理，采用一节模板向上提升；内模采用倒模原理采用两节模板向上翻模，其特点是：外模采用手动葫芦提升工艺，内模采用两节模板移置工艺，垂直运输采用型钢竖井架。
采用有井架提升模板施工工艺，由于所有荷载最终均作用在竖井架上，井架的承载能力和安全稳定性控制就成为采用本工艺施工安全管理工作的主要内容。因此有必要对井架及操作提升系统的承载能力进行核算。本文以国能望奎生物发电1×30MW扩建120m烟囱工程为例，详细介绍竖井架及提升操作系统的安全稳定性计算。
2、井架及操作平台构成
国能望奎生物发电1×30MW扩建120m烟囱高度为120m，底口直径10.6m，出口直径4m。井架断面尺寸为1000×1000，立柱采用∠75×8角钢制作，水平及斜拉杆采用∠50×5制作，立柱单节长2500mm，两端及中间均设置水平拉杆，每节内设两道斜拉杆，筒身内每30m高四周设水平拉结，以保证井架的垂直度。
操作平台系统：操作平台由14根[100槽钢辐射梁和内、外两层环圈（[12.6槽钢）构成，操作平台上铺30mm厚木板，平台由18个额定起重能力为3t的手扮葫芦通过钢丝绳悬挂在井架上，在平台下面沿筒壁内、外设两层吊篮用于支模作业（注：补充筒壁直径）。
本验算考虑井架最大悬臂12.5m。
2.1荷载统计
2.1.1井架自重荷载计算：井架总高按高出筒身5米计，则全高应为125m。
① 立杆荷载：q1=125×4×9.03kg/m+0.3x4x50x10.946=51.8kN
② 斜 拉 杆：q2=1.6×8×3.77×50=24.2kN
③ 水 平 杆：q3=1×8×3.77×51=15.38kN
井架总荷载Qs=91.38KN，折合每米0.73KN。
2.2.2平台荷载
① 辐射梁采用[100槽钢，总长度14x6=84m。内外环梁采用[12.6槽钢，总长度29.2m
q4=(84×10.003kg/m)+(29.2×12.313kg/m)=12kN
② 平台木跳板荷载，按单重450kg/m3计算
q5=4.7×4.7×3.14×0.03×450=9.36kN
③ 内处吊篮荷载：q6 =6000×2=12kN
④ 外模板荷载：q7=20kN（未知，为施工方提供，施工方应确保不超载）
⑤ 平台上各种设备及其他材料荷载：
Q8=16.2KN
⑥ 井架内吊笼按3KN计，钢丝绳按300m计算，则荷载为：
Q9=3+300x0.01578=7.7KN
⑦ 井架外钢丝绳拉力及重量（距井架中心0.8m）：
Q10=q9/2+135x0.01578=6KN
平台部分总荷载Qd=Q4+……+Q10=83.26KN
自重产生的偏心弯矩：6*0.8+83.26*0.15=17.3KN.m （考虑可能安装缺陷重心偏150）
2.2.3风荷载：
参考GB/T 13752-92 塔式起重机设计规范的风荷载计算：
① 计算风压：20~100m pw=1.1KN/m2；
100m以上pw=1.3KN/m2；
工作状态最大风压：pw=0.25KN/m2
② 风力系数：Cw=1.45
③ 结构充实率：ω=0.3，桁架前后片挡风折减系数0.57
④ 风荷载：Fw=Cw×pw×A2－1
⑤ 20~200mFw =1.45*1.1*0.3*(1+0.57)*1*1=0.75
对角线：Fw =0.75*1.2=0.9KN/m
工作状态：Fw =0.9/1.1*0.25=0.21KN/m
100m以上Fw =1.45*1.3*0.3*(1+0.57)*1*1=0.89
对角线：Fw =0.89x1.2=1.1KN/m
工作状态：Fw =1.1/1.3*0.25=0.21KN/m
2.2.4施工荷载：
平台浇筑砼时，施工人员按8人计算，单人体重按0.75KN计：
Q11=8x0.75=6KN（可能偏向一侧）
平台上按存放2罐混凝土考虑，每罐砼按0.3m3计，则砼荷载：
Q12=0.3x2x24=14.4KN（可能偏向一侧）
提升时，吊笼内按装0.3m3砼计，考虑动力系数0.1，则荷载为：
Q13=(3+300x0.01578)*0.1+0.3x24*1.1=8.7KN
井架外钢丝绳拉力及重量（距井架中心0.8m）：
Q14=q13/2+135x0.01578*0.1=4.6KN
平台施工部分总荷载：QL=q11+……+q14=33.7KN
施工可能偏心弯矩：(6+14.4)*4+4.6*0.8=85.28KN.m
井架力学参数
3.1主肢 L75x8：
根据型钢表查得L75x8角钢截面几何特性如下：
截面积：A1=1150mm2，最小回转半径 imin=14.7mm，中和轴至肢背y0=21.5mm，惯性矩 Ix=599600mm4
3.2缀条 L50x5：
根据型钢表查得L50x5角钢截面几何特性如下：
截面积：Ad=480mm2，最小回转半径 imin=9.8mm
3.3井架整体截面：
井架截面尺寸：1000x1000，节距L0=1250mm，b=1000mm，H1=30000mm，H2=12500mm.
井架整体截面面积：A=4A1=4*1150=4600mm2
惯性矩：I=4(Ix+A1*(b/2-y0)2) 3—1
I=4*(599600+1150*(1000/2-21.5)2)=1055624750mm4
弹性截面模量 W=I/(b/2)3—2
W=1055624750/500=2111249mm3
每节井架中间设水平拉杆，其计算长度：L0=1250mm。
4、井架稳定性验算：
在烟囱筒身施工过程中，筒身内模至少有一节模板通过木方支撑在井架上，筒身内每30m高四周设水平拉结，平台以上井架最大自由高度为12.5m。
4.1.本验算主要分为三部分：
① 底部最大支撑间距30m，仅一道支撑，上部悬臂12.5m，总高42.5m,验算底部；
② 底部最大支撑间距30m，总高度125m，上部悬臂12.5m，验算底部；
③ 底部最大支撑间距30m，总高度125m，上部悬臂12.5m，验算上部。
4.2荷载状态分析：
4.2.1底部
① 125米高时轴力：Q=Qs+Qd+Ql=91.38+83.26+33.7=208.34KN
② 42.5米时轴力：Q=Qs！+Qd+Ql=0.73*42.5+83.26+33.7=148KN
③ 125米高时，底部弯矩可忽略。
④ 42.5米高时：不考虑施工，最大弯矩47.45KN.m，考虑施工，则最大弯矩67.65KN.m
综合上述情况，柱底分别验算最大轴力208.34KN和轴力148KN、弯矩67.65KN.m两种工况。
4.2.2顶部平台处
4.2.2.1仅考虑塔架达到125m时，悬臂12.5m的状态;
① 非工作状态，风控制：
荷载Q=Qs+Qd=0.73*12.5+83.26=92.4KN
弯矩：M=110.6KN.m
工作状态：
荷载 Q=Qs+Qd+Ql=0.73*12.5+83.26+33.7=126.1KN
弯矩：M=119KN.m
4.2.2.2 顶部平台处仅验算工作状态。
4.2.3底部验算：
4.2.3.1 井架截面整体长细比：
λ= 4—1
λ==62.6
换算长细比
λ0=(λ2+40xA/A1)1/2 4—2
λ0=（62.62+40x4600/960)1/2=64.1
φ=0.786
4.2.3.2 井架的理论承载力：
Nex=π2EA/1.1λ02 4—3
Nex =3.142*210000x4600/(1.1*64.12)=2107KN
① 125m时：
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))4—4
σ=2*(208.34/(0.786*4600)+0)=115Mpa ② 42.5m时：
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))
=2*(148/(0.786*4600)+67650/(2111249*(1-0.786*148/2107)) =150Mpa 4.2.3.3分肢稳定：
λ1=L0/imin4—5
λ1=1250/14.7=85
φ=0.655
125m时：
σ=KxN/φA14—6
σ=2*208.34/(4*0.655*1150)=138Mpa ② 42.5m时：
σ=KxN/φA1
=2*（148+67650/0.5/2)/(4*0.655*1150)=188Mpa 结论，当井架高度42.5m时，且仅30m设一道支撑时，施工状态结构最不利，薄弱点为分肢稳定，但结构承载力满足安全要求。
4.2.4顶部验算：
井架截面整体长细比：
λ===26.1
换算长细比
λ0=(λ2+40xA/A1)1/2=（26.12+40x4600/960)1/2=29.5
φ=0.936
井架的理论承载力：
Nex=π2EA/1.1λ02=3.142*210000x4600/(1.1*29.52)=9935KN
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))
=2*(126.1/(0.936*4600)+119000/(2111249*(1-0.936*126.1/9935))
=155Mpa 分肢验算：
σ=KxN/φA1
=2*（124+119000/0.5/2)/(4*0.655*1150)=216Mpa≈fk=215Mpa
结论：经验算，在平台处，在工作状态，井架整体稳定满足要求，分肢稳定达到极限状态，由于施工状态存在不确定性，施工中应采取避免两车砼过于集中并分散施工人员。
钢丝绳安全性验算：
本工程用于材料运输起重的钢丝绳采用 φ=16mm，破断拉力为 132KN的钢丝绳，钢丝绳允许拉力为：
[Fg]=βFg/k 5—1
[Fg]=0.82*132/5=21.65KN>Q10+Q14=6+4.6=10.6KN.
说明钢丝绳是安全的。
6、平台提升系统承载能力验算：
平台系统采用18个3t手扳葫芦，其总承载能力为：
P=18x3=54t=540KN。
平台系统总荷重：
P0=Qd+QL=83.26+33.7=117KN
平台系统提升时按20%超载，手扳葫芦按75%能力工作，则其安全系数为：
K=Px0.75/P0x1.2=540x0.75/(117x1.2)=2.88
计算说明平台提升系统是安全的。
7、其他：
7.1 当井架系統低于42.5m高，即在30m处仅有一道支撑时，该支撑应采用刚性支撑，其构件长细比应不大于120。
7.2当井架高度大于42.5m时，除最顶部的支撑采用刚性支撑外，其余支撑可采用柔性支
撑。
7.3本结构薄弱点在平台处的井架主肢上，施工中应控制施工荷载的不均衡布置，必要的
时候采用加固平台处主肢的措施。
8、附图
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：竖井架；提升系统；安全稳定性
前言
目前，在钢筋混凝土烟囱工程施工中，一般主要采取以下两种施工工藝，一种是有井架提升模板施工工艺，另一种是液压滑模施工工艺。而有井架提升模板施工工艺以其设备简单、便于操作、工程质量容易控制、施工成本较低等优点，在100m 乃至140m以下烟囱等高耸构筑物工程中较多利用，其工艺原理是外模采用滑模原理，采用一节模板向上提升；内模采用倒模原理采用两节模板向上翻模，其特点是：外模采用手动葫芦提升工艺，内模采用两节模板移置工艺，垂直运输采用型钢竖井架。
采用有井架提升模板施工工艺，由于所有荷载最终均作用在竖井架上，井架的承载能力和安全稳定性控制就成为采用本工艺施工安全管理工作的主要内容。因此有必要对井架及操作提升系统的承载能力进行核算。本文以国能望奎生物发电1×30MW扩建120m烟囱工程为例，详细介绍竖井架及提升操作系统的安全稳定性计算。
2、井架及操作平台构成
国能望奎生物发电1×30MW扩建120m烟囱高度为120m，底口直径10.6m，出口直径4m。井架断面尺寸为1000×1000，立柱采用∠75×8角钢制作，水平及斜拉杆采用∠50×5制作，立柱单节长2500mm，两端及中间均设置水平拉杆，每节内设两道斜拉杆，筒身内每30m高四周设水平拉结，以保证井架的垂直度。
操作平台系统：操作平台由14根[100槽钢辐射梁和内、外两层环圈（[12.6槽钢）构成，操作平台上铺30mm厚木板，平台由18个额定起重能力为3t的手扮葫芦通过钢丝绳悬挂在井架上，在平台下面沿筒壁内、外设两层吊篮用于支模作业（注：补充筒壁直径）。
本验算考虑井架最大悬臂12.5m。
2.1荷载统计
2.1.1井架自重荷载计算：井架总高按高出筒身5米计，则全高应为125m。
① 立杆荷载：q1=125×4×9.03kg/m+0.3x4x50x10.946=51.8kN
② 斜 拉 杆：q2=1.6×8×3.77×50=24.2kN
③ 水 平 杆：q3=1×8×3.77×51=15.38kN
井架总荷载Qs=91.38KN，折合每米0.73KN。
2.2.2平台荷载
① 辐射梁采用[100槽钢，总长度14x6=84m。内外环梁采用[12.6槽钢，总长度29.2m
q4=(84×10.003kg/m)+(29.2×12.313kg/m)=12kN
② 平台木跳板荷载，按单重450kg/m3计算
q5=4.7×4.7×3.14×0.03×450=9.36kN
③ 内处吊篮荷载：q6 =6000×2=12kN
④ 外模板荷载：q7=20kN（未知，为施工方提供，施工方应确保不超载）
⑤ 平台上各种设备及其他材料荷载：
Q8=16.2KN
⑥ 井架内吊笼按3KN计，钢丝绳按300m计算，则荷载为：
Q9=3+300x0.01578=7.7KN
⑦ 井架外钢丝绳拉力及重量（距井架中心0.8m）：
Q10=q9/2+135x0.01578=6KN
平台部分总荷载Qd=Q4+……+Q10=83.26KN
自重产生的偏心弯矩：6*0.8+83.26*0.15=17.3KN.m （考虑可能安装缺陷重心偏150）
2.2.3风荷载：
参考GB/T 13752-92 塔式起重机设计规范的风荷载计算：
① 计算风压：20~100m pw=1.1KN/m2；
100m以上pw=1.3KN/m2；
工作状态最大风压：pw=0.25KN/m2
② 风力系数：Cw=1.45
③ 结构充实率：ω=0.3，桁架前后片挡风折减系数0.57
④ 风荷载：Fw=Cw×pw×A2－1
⑤ 20~200mFw =1.45*1.1*0.3*(1+0.57)*1*1=0.75
对角线：Fw =0.75*1.2=0.9KN/m
工作状态：Fw =0.9/1.1*0.25=0.21KN/m
100m以上Fw =1.45*1.3*0.3*(1+0.57)*1*1=0.89
对角线：Fw =0.89x1.2=1.1KN/m
工作状态：Fw =1.1/1.3*0.25=0.21KN/m
2.2.4施工荷载：
平台浇筑砼时，施工人员按8人计算，单人体重按0.75KN计：
Q11=8x0.75=6KN（可能偏向一侧）
平台上按存放2罐混凝土考虑，每罐砼按0.3m3计，则砼荷载：
Q12=0.3x2x24=14.4KN（可能偏向一侧）
提升时，吊笼内按装0.3m3砼计，考虑动力系数0.1，则荷载为：
Q13=(3+300x0.01578)*0.1+0.3x24*1.1=8.7KN
井架外钢丝绳拉力及重量（距井架中心0.8m）：
Q14=q13/2+135x0.01578*0.1=4.6KN
平台施工部分总荷载：QL=q11+……+q14=33.7KN
施工可能偏心弯矩：(6+14.4)*4+4.6*0.8=85.28KN.m
井架力学参数
3.1主肢 L75x8：
根据型钢表查得L75x8角钢截面几何特性如下：
截面积：A1=1150mm2，最小回转半径 imin=14.7mm，中和轴至肢背y0=21.5mm，惯性矩 Ix=599600mm4
3.2缀条 L50x5：
根据型钢表查得L50x5角钢截面几何特性如下：
截面积：Ad=480mm2，最小回转半径 imin=9.8mm
3.3井架整体截面：
井架截面尺寸：1000x1000，节距L0=1250mm，b=1000mm，H1=30000mm，H2=12500mm.
井架整体截面面积：A=4A1=4*1150=4600mm2
惯性矩：I=4(Ix+A1*(b/2-y0)2) 3—1
I=4*(599600+1150*(1000/2-21.5)2)=1055624750mm4
弹性截面模量 W=I/(b/2)3—2
W=1055624750/500=2111249mm3
每节井架中间设水平拉杆，其计算长度：L0=1250mm。
4、井架稳定性验算：
在烟囱筒身施工过程中，筒身内模至少有一节模板通过木方支撑在井架上，筒身内每30m高四周设水平拉结，平台以上井架最大自由高度为12.5m。
4.1.本验算主要分为三部分：
① 底部最大支撑间距30m，仅一道支撑，上部悬臂12.5m，总高42.5m,验算底部；
② 底部最大支撑间距30m，总高度125m，上部悬臂12.5m，验算底部；
③ 底部最大支撑间距30m，总高度125m，上部悬臂12.5m，验算上部。
4.2荷载状态分析：
4.2.1底部
① 125米高时轴力：Q=Qs+Qd+Ql=91.38+83.26+33.7=208.34KN
② 42.5米时轴力：Q=Qs！+Qd+Ql=0.73*42.5+83.26+33.7=148KN
③ 125米高时，底部弯矩可忽略。
④ 42.5米高时：不考虑施工，最大弯矩47.45KN.m，考虑施工，则最大弯矩67.65KN.m
综合上述情况，柱底分别验算最大轴力208.34KN和轴力148KN、弯矩67.65KN.m两种工况。
4.2.2顶部平台处
4.2.2.1仅考虑塔架达到125m时，悬臂12.5m的状态;
① 非工作状态，风控制：
荷载Q=Qs+Qd=0.73*12.5+83.26=92.4KN
弯矩：M=110.6KN.m
工作状态：
荷载 Q=Qs+Qd+Ql=0.73*12.5+83.26+33.7=126.1KN
弯矩：M=119KN.m
4.2.2.2 顶部平台处仅验算工作状态。
4.2.3底部验算：
4.2.3.1 井架截面整体长细比：
λ= 4—1
λ==62.6
换算长细比
λ0=(λ2+40xA/A1)1/2 4—2
λ0=（62.62+40x4600/960)1/2=64.1
φ=0.786
4.2.3.2 井架的理论承载力：
Nex=π2EA/1.1λ02 4—3
Nex =3.142*210000x4600/(1.1*64.12)=2107KN
① 125m时：
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))4—4
σ=2*(208.34/(0.786*4600)+0)=115Mpa
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))
=2*(148/(0.786*4600)+67650/(2111249*(1-0.786*148/2107)) =150Mpa
λ1=L0/imin4—5
λ1=1250/14.7=85
φ=0.655
125m时：
σ=KxN/φA14—6
σ=2*208.34/(4*0.655*1150)=138Mpa
σ=KxN/φA1
=2*（148+67650/0.5/2)/(4*0.655*1150)=188Mpa
4.2.4顶部验算：
井架截面整体长细比：
λ===26.1
换算长细比
λ0=(λ2+40xA/A1)1/2=（26.12+40x4600/960)1/2=29.5
φ=0.936
井架的理论承载力：
Nex=π2EA/1.1λ02=3.142*210000x4600/(1.1*29.52)=9935KN
σ=Kx(N/φA+M/W(1-φN/Nex))
=2*(126.1/(0.936*4600)+119000/(2111249*(1-0.936*126.1/9935))
=155Mpa
σ=KxN/φA1
=2*（124+119000/0.5/2)/(4*0.655*1150)=216Mpa≈fk=215Mpa
结论：经验算，在平台处，在工作状态，井架整体稳定满足要求，分肢稳定达到极限状态，由于施工状态存在不确定性，施工中应采取避免两车砼过于集中并分散施工人员。
钢丝绳安全性验算：
本工程用于材料运输起重的钢丝绳采用 φ=16mm，破断拉力为 132KN的钢丝绳，钢丝绳允许拉力为：
[Fg]=βFg/k 5—1
[Fg]=0.82*132/5=21.65KN>Q10+Q14=6+4.6=10.6KN.
说明钢丝绳是安全的。
6、平台提升系统承载能力验算：
平台系统采用18个3t手扳葫芦，其总承载能力为：
P=18x3=54t=540KN。
平台系统总荷重：
P0=Qd+QL=83.26+33.7=117KN
平台系统提升时按20%超载，手扳葫芦按75%能力工作，则其安全系数为：
K=Px0.75/P0x1.2=540x0.75/(117x1.2)=2.88
计算说明平台提升系统是安全的。
7、其他：
7.1 当井架系統低于42.5m高，即在30m处仅有一道支撑时，该支撑应采用刚性支撑，其构件长细比应不大于120。
7.2当井架高度大于42.5m时，除最顶部的支撑采用刚性支撑外，其余支撑可采用柔性支
撑。
7.3本结构薄弱点在平台处的井架主肢上，施工中应控制施工荷载的不均衡布置，必要的
时候采用加固平台处主肢的措施。
8、附图
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。