摘要：本文通过对某工程30000㎡污水金属储罐电动葫芦倒装法提升时的提升系统进行受力分析，论述了提升系统的选型设计，为现场施工提供了理论技术支撑，取得了良好的社会经济效益。
关键词：大型金属；储罐倒装法；电动葫芦；应用分析
引言
随着我国工程技术的快速发展，建设工程领域的新颖施工方法不断涌现，极大提升了施工技术水平，取得了显著的经济效益，明显改善了施X工安全环境条件，如工程数字建模、工程仿真分析、炼化系统的模块化建造、大型金属储罐的倒装法施工等。其中大型金属储罐的施工方法有正装法和倒装法两种，倒装法施Ф工又分为液压顶升倒装法和葫芦提升倒装法；葫芦提升倒装法施工根据提升能源来源的不同又分为手动葫芦提升倒装法和电动葫芦提升倒装法。
本文以某工程３台钢制大型立式拱顶罐中的30000㎡事故罐为例，来探讨大型金属储罐电动葫芦提升倒装法的施工应用。该工程的３台钢制大型立式拱顶罐的设备基础采用预应力管桩的钢混凝土基础，设计污水容量分别是30000ｍ³和20000ｍ³，其中30000㎡事故罐的规格参数为：基础直径Ф46ｍ、罐体直径Ф44ｍ、高25ｍ、储罐总重约700t、数量１台，罐顶为固定自撑式拱顶，采用钢网壳，其储存介质为废污水，设计参数为常压、常温，污水储罐施工按《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》进行制造、试验和验收，提升用电动葫芦规格为20T。
1工艺流程
钢制立式储罐电动葫芦提升倒装法施工是在储罐底板敷设完成后，先制作安装顶圈壁板和拱顶，然后利用均布在储罐内侧装在边柱上的电动葫芦，通过胀圈等工装卡具，提升壁板，依次围设组焊顶圈下部其他各圈壁板，最后完成底部壁板与底板角焊缝的组对焊接。（１）复检储罐基础无误后，依次铺设组焊底板、安装临时支座、围设组焊顶圈壁板（即第１圈壁板）和第２圈壁板；（２）第１、２圈壁板安装完后，把提升边柱、电动葫芦、胀圈工装卡具、中心桅杆、平衡钢丝绳和电气照明等设施吊运至罐内；（３）安装拱顶及其附件，并在安装提升边柱的拱顶处留好缺口；（４）拱顶安装完成后，在第１圈壁板下缘处安装胀圈工装卡具，用于罐体的撑圆和提升；接着安装边柱、中心桅杆、电动葫芦及平衡钢丝绳等提升机构，并把电动葫芦的倒链挂在胀圈工装卡具的吊钩上，然后对提升机构进行预紧；（５）倒装提升系统安装完成，并经检查无误后，即进行罐体的提升；（６）提升到位后，围设第３圈壁板，并在罐壁圆周方向上均匀布置两道活口；组对第３圈壁板与第２圈壁板的环缝，并切除第２圈壁板活口组对收紧时的多余部分；（７）第３圈壁板组焊完成，并经检查无误后，进行罐体的提升，自此循环往复，直至底部最后一圈壁板围设组焊完成；（８）最后一圈壁板围设组焊完成后，稍微提升罐体，拆除底板上的临时支座，然后使提升机构下降，罐体落在底板上，组焊最后一圈壁板与底板的角焊缝.
由于最后要拆除储罐制作安装时的临时支座，所以提升的最大重量Ｇ即为储罐总重减去储罐底板的重量，而底板重盥占储罐总重的比例很小，故在计算提升机构的受力分析时以储罐总量计算，相当于放大了荷载校核安全系数。
2提升机构安装布置形式
提升机构平面布置形式见图1。
图1 提升机构平面布置示意图
图2 提升机构立面布置示意图
根据20T电动葫芦实际情况，设定：提升边柱H=4000mm、临时支座高500mm、胀圈吊点至壁板下缘距离H2=500、提升边柱距至储罐内壁距离L=900mm、胀圈吊点至储罐内壁距离L1=150mm、电动葫芦吊点距提升边柱中心L2=350mm，需要重点校核的是提升电动数量、提升边柱规格型号以及平衡钢丝绳规格型号。
3提高边柱受力分析及稳定性校核
3.1建立力学模型根据提升机构布置示意图，选取其中任一提升边柱组合，建立力学模型（见图３）。
图3 电葫芦提升机构提升边柱力学模型图
3.2受力分析
以３台储罐中最大的30000ｍ³储罐为例进行受力分析，储罐总重量为700t，储罐直径44ｍ，包括拱顶高度25ｍ，共11圈壁板，单圈壁板高为2米。
3.2.1电动葫芦数量确定
电动葫芦数量的确定需要核算两个点．一个是在拆除临时支座的受力点，一个在围设底圈壁板前电动葫芦提升最高处的受力点，选其中的较大者。
（1）拆除临时支座的受力点依据现场条件，现采用20t电动葫芦，单台额定起升重里Fe为20t，电动葫芦安全系数Ｍ取0.75ｍ。由于最后要拆除储罐制作安装时的临时支座，只需把储罐稍微升起把支座拿出即可，其提升距离可忽略不计，所以提升的最大重量Ｇ为储罐总重减去储罐底板的重量，而底板重量占储罐总重的比例很小，故在计算提升机构的受力分析时以储罐总重700t计算，相当于放大了荷载校核安全系数，选取图３电动葫芦提升机构边柱力学模型图的胀圈吊点进行受力分析，可知：
G=nF1=nF2ｘcosA=nF¹2ｘcosA=nF¹2ｘcosA（arctan（L3/H3））
=nF¹2ｘcosA（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2）））
F¹2=G/（n*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））））（1）
由F¹2≤μFe可知，G/（n*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））））≤μFe
n≥G/（μFe*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））））（2）
其中，F2与F¹2是电动葫芦的用力和反作用力，ｎ是电动葫芦数量，Ｆ1是储罐总重Ｇ分摊到胀圈每个吊点的重量；最后在拆除临时支座时，只需把储罐稍微升起即可，故储罐底部最后一圈壁板下缘到底板的距离Ｈ，可视为不变，已知：L=L=900mm、L1=150mm、L2=350mm、H=4000mm、H1=500mm、H2=500mm；
以上数据带入公式（２），可得：ｎ≥47.14，圆整为48；
把ｎ=4代入公式（１），可得：F¹2=14.73≤μFe=0.75ｘ20t=15t；
（2）围设底圈壁板前电动葫芦提升最高处的受力点
在围设底圈壁板前电动葫芦提升最高处，即提升＿个壁板的高度，壁板高度是2000mm，此时的提升重Ｇ为储罐总重减去底圈壁板重量和底板重量，底板重量为95t，底圈壁板重量为70t，此时G=535t，那么此时公式（１）和公式（２）就变为：
n≥G/（μFe*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2-2000））））=39.63圆整为40
F¹2=G/（n*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2-2000））））=14.86t＜μFe
通过（１）拆除临时支座的受力点和（２）围设底圈壁板前电动葫芦提升最高处的受力点的对比分析，可知电动葫芦数量选取为n=48，
此时（１）情况下的F¹2=14.73t、（２）情况下的受力点的F¹2为12.26t，所以下面的选型设计以n=48、F¹2=14.73t为准。
3.2.2平衡钢丝绳设计选型
由平面力系平衡法则，可得：
F¹3=F¹2ｘsinA
=F¹2ｘsin（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2）））
=（G/（n*cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2）））））*sin（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2）））
=（G/n）ｘ（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））=1.94t（３）
力F¹3由中心桅杆拉过来的钢丝绳提供，由其荷载推算钢丝绳的最小破断拉力，根据钢丝绳最小破断拉力选择对应的钢丝绳。根据钢丝绳最大许用拉力计算
公式［F］≤∑SPｘA/K
式中：［F］—钢丝绳允许用拉力（kN）；∑SP——钢丝绳破断拉力（kN）；Ｋ—钢丝绳的安全系数；Ａ—折减系数。
可得：∑SP≥［F］×K/A
查表1和表2，可知：K=6，A=0.85，故：
∑SP≥［F］×K/A=1.94t×6/0.85=13.694t
查表３，可知选用直径18mm的6×19纤维芯钢丝绳即可。
3.2.3边柱穗定性校核及设计选型从图３电动葫芦提升机构边柱力学模型图，选取提升边柱进行受力分析，可知提升边柱受到的轴向压力，即是F¹1的反作用力，记为ＦF¹¹1；图中的F¹3是为了平衡电动葫芦所受拉力F¹2的水平分力、由平衡钢丝绳绳提供的拉力。由于提升边柱分担了电动葫芦传递的绝大大部分拉力，自身受到的是轴向压力，需要对提升边柱的稳定性进行分析，进而选取提升边柱的规格。提升边柱底部固定、上端自由，其长度较长，因此可将提升边柱视为材料力学中的一端固定、一端自由的细长压杆，对其进行稳定性计算。
压杆稳定取决于压杆的细长比入和临界载荷Fcr，由于同样截面积的情况下，空心圆管的临界载荷要比实心圆杆大得多，故提升边柱选用无缝钢管。当细长比大于临界值时，即λ＞λp的大柔度压杆，失稳是压杆失效的主要形式，其稳定性条件是轴向载荷F≤Fcr/［nsl］，式中［nsl］为细长压杆的规定稳定安全因数，常用细长压杆规定稳定安全因数见表４。说明：表４所述的规定压杆稳定安全因数是静载荷条件下的，动载荷情况下的细长压杆规定稳定安全因数取得都比较大，如机床丝杠的规定稳定安全因数取2.2-4、矿山和冶金设备压杆的规定稳定安全因数取4-8、活塞杆的规定稳定安全因数取4-8。
从图３电动葫芦提升机构力学模型图，可知提升边柱受到的轴向压力为：
ＦF¹¹1=F¹1=F¹2ｘcos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））
=［G/（n×cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2））））］
×cos（arctan（（L-L1-L2）/（H-H1-H2）））=G/n=14.58t
假设提升边柱属于大柔度压杆，则有：
ＦF¹¹1≤Fcr/［nsl］，Fcr≥ＦF¹¹1×［nsl］≥（G/n）×［nsl］≥（700t/48）×5（4）
（注：提升边柱属于施工动载下的压杆，［nsl］按矿山设备压杆取５）≥72.92t
即提升边柱临界载荷必须大于等于72.92t，才满足压杆稳定性要求，取Fcr＝72.92t。
由欧拉公式Fcr＝∏²EＩ/（μL）²/（∏²E），可得提升边柱截面惯性矩Ｉ：Ｉ=Fcr（μL）²/（∏²E）（注：无缝钢管弹性模量E=200GPa，提升边柱压杆长度因数μ=2）=2319.23㎝²
查表５，可知φ219×6.5即满足稳定性要求。现在需要验证大柔度压杆的假设是否正确，因此需求选定提升边柱的细长比入：
λ：λ=μ*L/i
（μ是一端固定一端自由的压杆长度系数，μ=2；i是截面惯性半径）；
λ：λ=μ*L/i=106
查表６，可知λ＞λp，故大柔度压杆的假设正确，选型合理。
3.2.4中心桅杆设计选型分析由于钢丝绳需垂直于提升边柱，保持水平方向，故中心桅杆的高度与提升边柱相同；同时，由于提升边柱数量是偶数，中心桅杆所受各钢丝绳拉力正好相互抵消，在施工过程中只要保持垂直稳定即可，考虑到施工过程中的扰动因素，其规格尺寸选与提升边柱相同。由此可知，在选用电动葫芦倒装法制作安装圆筒形立式金属储罐时，电动葫芦数量应圆整为偶数，以便中心桅杆所受钢丝绳拉力相互抵消。
4 结束语
现场应用时，先由公式（２）算出所需电动葫芦数量；然后根据公式（３）计算平衡钢丝绳所受拉力，进而确定平衡钢丝绳的规格型号；最后用公式（４）进行提升边柱的稳定性校核，确定提升边柱的规格型号。本文列举的某工程３台钢制大型立式拱顶罐，设计污水容量分别是30000ｍ³和20000ｍ³，最大的30000ｍ³事故罐总重达700t，根据该理论分析，进行电动葫芦提升系统应用选型设计，取得了良好的经济社会效果。
参考文献：
[1]凌亚青，陈海东.电动葫芦提升大型立式储罐施工技术[J].施工技术，2018，47（S1）：522-525.
[2]李帅伟，白中辉，宋海峰.大型金属储罐电动葫芦提升倒装法应用分析[J].安装，2018（04）：47-50.
[3]张平堂，谢小波.尼日尔尼亚美重油发电站大型储罐倒装法施工[J].四川水力发电，2015，34（05）：55-58.
论文作者:张宁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
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