螺栓连接预制龙门架的设计与应用

2024-01-02李海峰张子伟李晨阳倪浩然隗永燕

农村电气化 2023年12期

李海峰，张子伟，李晨阳，倪浩然，隗永燕

（国网北京市电力公司建设咨询公司，北京西城 100176）

电力浅埋暗挖隧道截面尺寸较小，无法使用大型龙门吊等设备，出土及物料进出一般采用型钢组装龙门架。现有龙门架立柱、主梁、横撑、剪刀撑等采用焊接或焊接与螺栓相结合的方式安装。安装过程中，焊接接头容易产生较大的焊接变形和焊接残余应力差，从而影响接头的承载能力、加工精度和尺寸稳定差，同时在焊缝与配件的交界处（热影响区）产生应力集中，对接头的疲劳断裂有较大影响。焊接接头中容易产生焊接缺陷（裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透）等。这些缺陷的存在会降低焊接接头强度、引起应力集中、损坏焊缝致密性。拆卸过程中，需要切割架体型钢，造成钢材截短。架体周转利用率较低、在安拆过程中须进行动火作业，存在火灾、电击伤害等风险。

针对上述缺陷和不足，试制一种全螺栓连接的龙门架。架体通过地脚螺栓与基础固定，各结构件及附件通过普通螺栓或高强螺栓进行连接，解决现有龙门架安拆过程中因动火造成的一系列安全、质量问题。同时，螺栓连接具备安拆方便、连接可靠、周转效率高、实用性较强等优点。

1 总体结构设计

针对上述现有技术的缺陷和不足，通过螺栓连接的原理设计一种螺栓连接预制龙门架。设计依照规范、规程如下：GB 50017—2017《钢结构设计标准》、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范（2016 年版）》。

1.1 选材

立柱为I32a 工字钢，横梁为I32a 工字钢，导梁为I36a 工字钢。

1.2 确定龙门架尺寸

根据电力隧道施工条件及施工经验，总长跨度14 m，横向跨度7 m，高度7 m 的龙门架可满足大多数使用场景。

1.3 确定龙门架结构

龙门架共设6 根I32a 工字钢立柱，龙门架立柱固定在钢筋砼支墩，以支撑龙门架的自重及吊运重物时所发生的一切荷载。支墩为现浇C30 砼，尺寸为1.0 m × 1.0 m × 1.0 m，在基础支墩上预埋地脚螺栓，以便龙门架工字钢立柱与基础支墩牢固连接。

电动葫芦导梁（行走大梁）1 根，根据工程量大小可设为双轨（行走大梁），为I36a 工字钢，导向梁与立柱上横梁牢固连接，横梁为3 根I32a 工字钢，立柱之间用I32a 槽钢做成剪刀撑和横撑，用以保证龙门架框架的整体稳定性。

如图1 所示，龙门架屋面及侧面封板使用彩钢板进行全封闭处理，首先在地面上使用螺栓将檩条之间连接好，随后使用吊车吊运至龙门架预留位置，采用曲臂车配合人工使用自攻螺丝将彩钢板固定在檩条上。檩条为40 mm × 60 mm × 3 mm 矩形管，龙门架立柱上预制钢板檩托，檩条与檩托之间采用M12 螺栓[1]。

图1 立体剖面图

1.4 建模计算

使用PKPM 软件建立模型并完成结构计算。

2 主体结构计算

2.1 结构模型概况

根据螺栓连接预制龙门架的设计结构信息，确定主体结构模型的总体信息如表1～5 所示。

表1 总信息

表2 设计信息

表3 风荷载信息

表4 地震信息

表5 节点坐标表

2.2 单工况内力、位移云图分析

根据实际应用情况，设定工况5 个：恒载荷、活载荷、X向地震、Y向地震和竖向地震作用，运用PKPM 软件建立螺栓连接预制龙门架模型，并进行内力云图、位移云图计算，如图2～图9 所示，计算结果均满足设计规范、规程要求[2]。

图2 恒荷载（含自重）工况轴力云图（kN）

图3 活荷载工况轴力云图（kN）

图4 X 向地震工况轴力云图（kN）

图5 Y 向地震工况轴力云图（kN）

图6 竖向地震工况轴力云图（kN）

图7 恒荷载（含自重）工况位移云图（mm）

图8 X 向地震工况位移云图（mm）

图9 Y 向地震工况位移云图（mm）

2.3 多工况组合内力云图分析

恒载荷、活载荷、X向地震、Y向地震和竖向地震作用5 个工况，模拟现场施工应用场景，各工况乘以系数后两两或三个间相互组合，形成46 种组合模拟应用场景，再分别进行组合内力云图计算，结果表明模型的内力分布情况符合规范要求[3-5]。其中，极限情况出现在组合9、组合10、组合31、组合32，仍能满足规范要求，各内力云图如图10～图14 所示。

图10 竖向地震工况位移云图（mm）

图11 组合9:1.2 × 重力荷载代表值效应+1.3 ×X 向地震+0.5 × 竖向地震轴力云图（kN）

图12 组合10:1.2 × 重力荷载代表值效应+1.3 ×X 向地震-0.5 × 竖向地震轴力云图（kN）

图13 组合31:1 × 重力荷载代表值效应+1.3 ×X 向地震+0.5 × 竖向地震轴力云图（kN）

图14 组合32:1 × 重力荷载代表值效应+1.3 ×X 向地震-0.5 × 竖向地震轴力云图（kN）

3 龙门架的应用

目前，姜庄湖220 kV 输变电工程（沟道）项目3#竖井龙门架已安装完成并投入使用，现总结了安装流程，具体内容如下。

3.1 龙门架安装整体流程

施工准备→龙门架部件安装→连接电葫芦检修平台及附属设施→安装挡土支撑及挡土钢板→龙门架试运行。

3.2 龙门架部件安装顺序

安装施工顺序为：地面组装立柱和横梁→按照顺序吊装立柱和横梁组合件→吊装导轨梁→吊装剪刀撑、连系梁。

在地面将立柱与横梁采用M22 螺栓连接为组件，须严格控制横梁与立柱轴线垂直并居中。吊装组件至基础位置时，将其立柱底端连接钢板与基础预埋地脚螺栓连接。龙门架立柱安装过程中，如垂直度偏差不大，可通过底部增加垫块来调整，否则须将组件放平后对立柱底端进行加工处理。

吊装中间立柱，方法同两端立柱。严格控制立柱垂直度。

门框柱安装完毕后，安装导轨梁。在导轨梁顶部与横梁接触位置预制连接板，连接板与横梁采用M22 螺栓连接。由于导轨梁跨度大，须使用两根（或多根）I36a 工字钢对接而成，连接处两侧对扣20 mm厚连接板，使用螺栓连接牢固。安装行走梁时，在安装行走梁先提前把电葫芦安装到比较长的一根。导轨梁吊装过程须平稳，期间信号工与吊车司机须使用对讲机随时沟通，协调一致。吊装前在导轨梁上事先进行捆绑缆风绳，用以牵引导轨梁吊运方向。

龙门架立柱上部纵向设置水平撑，水平撑采用120 mm × 120 mm × 5 mm 方钢，剪刀撑及门框斜撑采用12a 槽钢。水平撑、剪刀撑及门框斜撑与立柱接触位置预制连接板，连接板与立柱采用M22 螺栓连接。

在龙门架一端设电葫芦检修平台，检修平台外侧设1.2 m 安全护栏。龙门架出土一侧设置土仓，土仓骨架采用I20a 工字钢预制而成。土仓立柱水平间距2.3 m，高度3.5 m，锚入地下深度1 m。在距地高度0.8 m、2.1 m 处设2 道横杆，横杆与立柱螺栓连接。横杆内侧满铺10mm 厚钢板。

在龙门架立柱外侧水平预制钢板檩托，钢板檩托与檩条之间采用M12 螺栓进行连接。在地面上使用螺栓将檩条之间连接好，随后使用吊车吊运至龙门架预留位置，采用曲臂车配合人工使用自攻螺丝将彩钢板固定在檩条上，屋顶需加工成人字屋面。彩钢板封闭密实，板面之间搭接设置。待以上工作完成后，最后做龙门架调试检测工作。

3.3 验收内容

（1）金属结构有无开焊和明显变形；

（2）架体各节点连接螺栓是否紧固；

（3）架体的安装精度是否符合要求；

（4）安全防护装置是否符合要求；

（5）电气设备及操作系统的可靠性；

（6）信号及通信装置的使用效果是否良好清晰；

（7）钢丝绳、滑轮组的固接情况；

（8）提升机与输电线路的安全距离及防护情况；

（9）其他规定的检验项目；

（10）空载运行实验；

（11）额定载荷实验；

（12）超载25%实验。

4 主要优点

4.1 制造成本低

螺栓连接预制龙门架的构成件型号简单、统一，制造厂便于统一制造模具，大幅度降低龙门架构成件制作成本，并且便于制造过程中的质量监督，间接提升螺栓连接预制龙门架的成品质量。

4.2 运输方便

改进后通过螺栓连接结构，将行走梁部位分成两根并用螺栓连接，每段最长8 m。运输时，选择普通6.8 m 货车运输即可，可以减少运输过程中的成本。

4.3 安、拆简单，不损伤型材

传统龙门架安、拆须要使用电气焊，作业前须进行烦琐的施工准备，作业过程中会产生废气影响环境，并且增加了现场火灾、触电等安全风险。此外，在拆除过程中，往往会损伤型材，对后续使用产生影响，降低龙门架型材周转使用次数。

螺栓连接结构的龙门架可以解决上述问题。螺栓连接结构的作业前准备工作简单，操作人工只需要板手和安全带即可。安拆过程无动火作业，绿色环保，安全可靠。拆除后不损伤龙门架的型材，可按原设计位置重新安装，周转使用费用低。螺栓连接结构的龙门架安拆灵活方便、迅速，整体安、拆作业时间比传统龙门架短，施工速度快，节省人力成本，大幅度缩短工期。