塔式起重机基础设在结构底板上, 基础顶标高与底板顶标高平齐。双曲线冷却塔横截面大致为圆形, 若塔式起重机基础设在其圆心位置, 不仅减少了塔式起重机起重臂吊装货物时的空间, 而且在塔式起重机拆除过程中, 因为起重臂比配重臂较长, 降标准节前, 起重臂的拆除任务也更加困难。

经过8种不同工况的有限元分析, 结合各受力参数, 认为偏心安装不仅有利于起重臂完成吊装作业, 而且塔式起重机本身的力学性能无较大变化, 符合相关规定^[1]。根据地质勘察报告, 选取了合适位置, 偏心10m安装 (见图1) 。

塔式起重机采用钢丝绳附着时, 当钢丝绳内的预应力值过大, 塔式起重机对动载的响应更剧烈, 塔身弦杆和腹杆的振动更强烈, 振动产生的最大应力容易超过塔身的许用应力^[1];当钢丝绳内的预应力值过小时, 不能忽略其悬垂度影响, 难以对塔身起到应有的附着作用。根据试验和理论分析, 设置附着钢丝绳的初始应变在0.001~0.002较为合理, 此时, 起重臂、塔身及附着钢丝绳的动态响应均较小^[1]。待钢丝绳的型号选取确定后, 根据其性能参数计算确定预应力值。

根据塔式起重机厂商提供的说明书, 附着框承受水平方向最大荷载为300k N, 该附着框强度满足受力需求。考虑到结构为薄壁壳体, 对集中荷载抵抗力不足, 主动与设计院沟通后, 确定每个方向设置6组钢丝绳分散集中荷载。经过设计计算复核后, 采取适当加固措施, 能满足附着受力需求。在确定附着框能满足使用需求的前提下, 以其最大荷载承受能力作为参考选取钢丝绳直径。

根据试验和有限元分析发现, 钢丝绳截面积增加时, 塔身最大应力下降, 塔身强度性能得到提高, 在增加钢丝绳截面积的同时需考虑截面积增加对系统带来的不利影响^[1]。若钢丝绳直径过大, 假设其弹性模量不变的情况下, 根据前述结论所选取的预应力值也会增大, 对塔式起重机本身、附着框、壳体附着点均会造成过大的负荷。综上, 最终选取6W (19) -18-1700型号的18钢丝绳。

超高塔式起重机附着时, 可以简化为固支悬挑杆加竖向支撑的模型, 附着时钢丝绳内预应力会对塔身垂直度有影响, 当多道附着预应力产生累计误差后, 会对塔身强度、压杆稳定性造成极不利的影响, 对于动荷载产生的振动抵抗力不足, 根据相关规范中强度设计的规定, 起重机设计计算的荷载情况及荷载组合都应符合相应荷载组合表的规定, 各参数都应该选取最不利的情况进行计算^[2]。根据试验和有限元分析结论, 发现柔性附着塔式起重机塔身强度最不利的位置, 为最高附着点附近塔身各弦杆及腹杆^[1]。基于这一原因确定了减少附着层数, 下部附着较疏、上部附着较密的原则。

钢丝绳拉接有水平拉接、斜向下拉接的方式。水平拉接即壳体壁上预埋件与塔身附着框在同一标高上。该方法钢丝绳用量较少, 壳壁仅受水平拉力。斜向下拉接综合了水平拉接和缆风绳式拉接的特点, 须合理选择倾斜角度, 即在附着框、钢丝绳、壳壁强度允许范围内, 又对塔式起重机施加竖向额外力, 当塔式起重机工作时, 增加基础受压区面积, 增加其抗倾覆能力。塔式起重机基础处地基承载力较高, 经验算地基承载力和塔身抗压稳定性均能满足要求。

综上, 塔式起重机软附着点分布特点为下疏上密、斜向下拉接, 具体分布如图2所示。各道附着高度依次为40, 64, 88, 112, 136m。每组钢丝绳6根, 横向、竖向间距均为2m, 分3层布置。

针对薄壁壳体对集中抵抗力不足的情形, 除采用6组钢丝绳分开拉接外, 还采用对拉接处的加固措施。经过设计院结构专业与塔式起重机厂商的共同复核, 出具了相关的加固配筋图纸, 满足施工期间附着的受力需求, 具体配筋如图3所示。

以预埋件位置为中心, 横向24m, 竖向20m范围内, 加布双层双向钢筋网, 钢筋直径≥16mm, 间距200mm。

钢丝绳拉接处需根据其受力情况选用合适的预埋件以固结钢丝绳。根据16G362《钢筋混凝土结构预埋件》^[3], 选用预埋件如图4所示。

预埋件上设置滑轮支架, 钢丝绳穿绕组成双倍率钢丝绳, 降低了钢丝绳承载力的同时, 方便钢丝绳预应力张拉施工, 钢丝绳穿绕形式如图5所示。

6W (19) -18-1700钢丝绳弹性模量取93.2k N/mm^2[4], 根据上述结论钢丝绳初始应变合理取值为0.001~0.002, 最终计算确定钢丝绳预应力为10k N。

钢丝绳拉接处设置6组双倍率钢丝绳, 根据附着框承受水平拉力最大荷载为300k N, 钢丝绳的最大斜拉角余弦值约为0.7。

单根钢丝绳最大水平受力:300/12=25k N;单根钢丝绳最大受力:25/0.7=36k N;钢丝绳破断拉力总和219k N, 钢丝绳破断拉力系数0.85;钢丝绳允许拉力:219×0.85=186k N;钢丝绳实际安全系数:186/36=5.1>K=4。

当第1根钢丝绳按照设定预应力拉紧后, 塔身相比附着前会有一定的垂直度偏差, 再进行第2根钢丝绳拉接时, 塔顶也会继续发生位移, 这个位移会导致第1根钢丝绳的拉力发生一定变化。同理, 后续拉接均会对已按照设定预应力拉好的钢丝绳内力产生影响。因此在每层附着钢丝绳拉接完毕后, 必须对塔身垂直度进行检测, 如果偏移过大, 根据偏移方向, 对相应钢丝绳拉力进行检测、调整, 直到塔身轴线垂直度达标为止。检测标准:按60t·m起重试吊, 塔身顶部最大位移≤214mm, 塔身软附着固定处最大位移≤70mm^[5]。

钢丝绳由于其生产特性、自身结构和材料性能, 在使用过程中必然伴随着变形和伸长^[6]。物体在受力作用下产生的形变分为弹性形变和塑性形变, 钢丝绳不是纯粹的弹性物体, 使用过程中发生的松弛、伸长等现象均是塑性形变造成的, 在拉力消除后, 该形变不能恢复。针对这一现象, 需采取定期检测、收紧等措施保证附着效果。

施工流程:筒壁额外加固钢筋绑扎→软附着预埋件安装→筒壁混凝土浇筑→安装塔式起重机附着框、制作附着钢丝绳→筒壁预埋件一侧钢丝绳固定→附着框一侧钢丝绳固定→安装手动葫芦与拉力计→按确定预应力拉紧钢丝绳并固定→检查塔身轴线垂直度→塔式起重机顶升→塔式起重机拆除→附着装置拆除。

根据设计单位提供的壳壁加固图, 在壳壁本身设置钢筋的基础上, 加设钢筋网, 同时将提前制作完成的预埋件一起绑扎后浇筑混凝土。为保证冷却塔筒壁的安全, 必须待筒体结构混凝土达到设计强度的75%后方可进行软附着钢丝绳的预紧, 在筒体混凝土浇筑时须留置1组试块作为附着钢丝绳预紧的依据。

在冷却塔塔式起重机施工过程中, 软附着装置由4套框架梁和4根内撑杆组成, 将附着框架放在塔身的连接螺栓头上 (该处连接螺栓头向上) ;内撑杆通过调节螺栓顶紧塔身4根主弦杆。每套附着框架向四方各伸出6个钢丝绳支架, 每个支架与对应附着点预埋支架组成双倍率钢丝绳附着。

在地面用M24×100的螺栓把附着框架连接成2个槽形, 通过塔式起重机吊钩安装固定在塔式起重机塔身上。在附着框架内吊装4根内撑杆, 通过调节螺栓顶紧在塔身4根主弦杆上, 并与塔身的腹杆连接好。当因塔身平面斜撑杆干涉时, 内撑杆可向上移动, 但不能离附着框架太远。

当混凝土模板拆除后, 即可用塔式起重机的吊钩通过变幅小车把滑轮支架运至筒壁内爬架上, 随即开始焊接工作。

计算单根钢丝绳的长度, 根据计算长度放足余量。在钢丝绳上距端部约0.5m处各捆扎1根2m长的麻绳, 距端部1.3m处固定2根2m长的8钢丝绳。钢丝绳制作如图6所示。

塔式起重机的吊钩吊起钢丝绳, 通过变幅小车使钢丝绳靠近冷却塔筒壁, 筒壁内爬架上的操作人员拉住钢丝绳, 使在预埋支架的绳环内侧装上绳环及挡绳杆 (见图7) 。

通过变幅小车使钢丝绳靠近塔身, 操作人员在塔身上拉住钢丝绳一端的麻绳, 把附着钢丝绳临时固定在塔身上 (此时钢丝绳处于松弛状态) 。用塔式起重机的吊钩缓慢钩住钢丝绳尾端的麻绳, 吊到附着框架处, 使钢丝绳靠近附着框架绳环内侧, 装上绳环, 把尾端钢丝绳临时固定在附着框架处, 卸下吊钩, 再用吊钩把附着钢丝绳的头部吊到附着框架处。

装上手动葫芦及弹簧秤, 把挂在吊钩上的麻绳取下, 拉紧手动葫芦, 使钢丝绳的预紧力达到10k N;用麻绳拉住钢丝绳两端部, 使附着钢丝绳端部处于拉直状态, 把麻绳固定在细钢丝绳上;用3个绳卡把附着钢丝绳固定好。

松掉手动葫芦, 取下弹簧秤、手动葫芦, 其余钢丝绳用同样的方法预紧、固定, 预紧时在对称位置同时进行, 以减少后续张拉对已张拉钢丝绳内拉力的影响 (见图8, 9) 。

第1层附着完成后, 检查塔身轴线垂直度, 偏差不得大于塔身全高的0.4%, 若垂直度不满足要求, 根据塔式起重机偏移方向, 测试钢丝绳预拉力值, 及时调整, 直到塔身轴线垂直度满足要求。

预埋支架固定在冷却塔筒壁, 按照以上步骤安装第2~5道附着。其中第2道附着的预埋板位于标高52.000, 54.000, 56.000m 3层;第3道附着的预埋板位于标高76.000, 78.000, 80.000m 3层;第4道附着的预埋板位于标高100.000, 102.000, 104.000m 3层;第5道附着的预埋板位于标高124.000, 126.000, 128.000m 3层。当进行上层附着前, 需对下层钢丝绳拉力测量、收紧, 以免对塔身造成过大的额外荷载, 影响塔身刚度、稳定性。

附着框架与塔身、内撑杆的连接必须可靠。内撑杆可靠地将塔身主弦杆顶紧, 并与塔身的腹杆夹紧, 各连接螺栓应紧固好, 开口销应按规定张开。钢丝绳须拉紧, 运行后每半个月至少检查1次钢丝绳是否放松、塔身垂直度是否符合要求, 如钢丝绳松懈后, 应及时对钢丝绳进行预紧, 而且预紧力须达到10k N。

对于柔性附着塔式起重机, 起重臂及塔身结构振动是塔式起重机的主要破坏形式之一。若在施工过程中出现塔身顶部摆幅过大, 操作人员切忌盲目拉紧附着钢丝绳或者调小起升力矩。

施工完毕后, 塔式起重机按照降塔程序下降到须拆附着装置时, 按如下步骤拆卸。

1) 按张拉钢丝绳的方法, 用手动葫芦稍稍张紧钢丝绳后, 卸掉附着钢丝绳的绳扣。

2) 用塔式起重机吊钩钩住一端8钢丝绳扣, 用麻绳捆住钢丝绳另一端, 卸掉手动葫芦、另一端的8钢丝绳及绳扣。

3) 卸掉附着框架上的绳环轴及绳环, 回转塔式起重机, 在空处下降吊钩, 慢慢放松麻绳, 直至钢丝绳落地。卸钢丝绳时要特别注意安全防护, 如防止钢丝绳扣及钢丝绳坠落等。

4) 用同样的方法将该层剩余的23根钢丝绳卸掉。

5) 用塔式起重机吊钩将内撑杆卸掉。

6) 拆附着框架的螺栓, 使框架拆成散片, 用吊钩分别将其拆下。

在异形薄壁建筑物施工过程中, 采用塔式起重机软附着施工技术, 将塔式起重机置于建筑物内部, 增加了塔式起重机的覆盖范围, 不仅降低了施工成本, 而且在工期、安全性等方面得到了保证。该施工技术通过与塔式起重机厂商、设计院多次沟通, 借鉴对塔式起重机的力学性能、钢丝绳受力特征的研究成果, 最终确定了合适的附着层数、附着点位置、筒壁加固措施、钢丝绳穿绕方式、钢丝绳横截面积、钢丝绳预应力值等施工要点。