大型预制构件吊装工装优化建议

石姜 仲婷婷

中国核工业华兴建设有限公司

[摘要] 在工业建设项目中，存在着长达10m以上的大型预制构件，无法通过起重设备直接起吊，需使用吊装工装配合安装，相应吊装工装亦具有强度高、长度长、重量大、复杂多样的特点。为充分利用资源，在施工期间使塔吊可以独立完成工装的转运，结合现场实际及钢梁的受力分析，统一钢梁类型，将钢梁合理分段，用螺栓群及连接板将钢梁段组装，满足施工要求，并做到一梁多用、重复利用，从而达到节约资源、合理利用的目的。

[关键词]钢梁、共用、分段、螺栓、强度。

目前，大型预制构吊装广泛应用于工业建筑，尤其是部分军工、核电项目建设。大型预制构件具有面积大、质量重、施工难度大等特点，直接起吊将使预制构件出现裂缝、变形等缺陷，需要使用吊装工装改变吊装期间的受力形式，以确保预制构件施工质量。本文结合台山EPR核电大型预制板吊装施工特点，在不改变原设计意图的前提下，改变吊装工装（下文称吊装钢梁）形式，以充分利用现场资源，使塔吊可以转运吊装钢梁，避免材料浪费，节省资源，使吊装钢梁可以重复利用，为类似项目施工提供有效的经验反馈。

1 概述

1.1 EPR核电建设中大型预制板吊装钢梁简介

EPR核电共有9块长达10m以上的预制板，分布在安全厂房与燃料厂房。由于预制板过长，为减小挠度，控制裂缝，使用吊装钢梁配合施工，其相应钢梁具有长度大、重量大的特点。

2#安全厂房21.00m板上有3块长度13.84m的预制板，对应的吊装钢梁长度以14.80m为主，共7根。预制板吊装钢梁为Q345级尺寸10083022140（单位为mm）的工字钢，集中力位置均有横向加劲肋，加劲肋为Q235级尺寸92814140/21（单位为mm）的钢板，大部分间距为1850mm，局部加密。钢梁间由槽钢[16和钢管2458（单位为mm）互撑。钢梁与预制板由直径20mm的锚筋相连，见图1。大型预制板的重力通过锚筋，垂直传递给吊装钢梁，履带吊通过吊装钢梁进行预制板安装就位，就位处预留钢梁摆放支点，用于钢梁的定位控制，进而控制预制板的定位。为避免大型预制板底部不均匀受力影响，吊装钢梁需在预制板周边及上部混凝土浇筑具备强度后拆除，在此期间，由吊装钢梁承受预制板重力及部分施工荷载，即钢梁需要在后期拆除，钢梁安装、预制板安装、吊梁拆除分别处于不同的施工时段。

燃料厂房31.90m板上有6块长度18.45m的预制板，对应钢梁长度均为19.45m，共计12根，此钢梁的结构与上述安全厂房钢梁基本相同，由工字钢及横向加劲肋组成，见图2。钢梁与横向加劲肋均为Q235级钢，工字钢尺寸为12804002040（单位为mm），横向加劲肋尺寸为190120020（单位为mm），间距为3700mm与4400mm两种。每个工装有两个钢梁，钢梁间由槽钢螺栓连接，预制板用直径20mm的锚筋，间距2000mm，与钢梁相连。

图1 安全厂房大型预制板吊装钢梁 图2 燃料厂房大型预制板吊装钢梁

1.2 台山1#核岛大预制板施工条件

1.2.1 大型预制板吊装条件

由于EPR核电堆型的大型预制板及工装重量均在100t以上，塔吊无法完成大型预制板吊装作业及吊装钢梁的转运，需借助百吨级吊车施工。

安全厂房大型预制板位于21.00m标高，结合EPR核电堆型各厂房布置情况，以台山核电为例，吊车站位只能在2#安全厂房东侧，而预制板边至东侧外墙边的距离为12.30m~26.20m，这就要求吊车起重臂长度在60m以上时，有能力起吊数百吨级构件。

燃料厂房的大型预制板位于31.90m标高，而预制板中心距外墙边最小距离为11.6m，此处采用吊车吊装的难度与上述类似。现阶段土建施工领域，大臂在60m以上时有能力负重百吨级以上的吊车很少见，台山核电施工现场仅有两台满足此要求的履带吊。EPR核电的设备及重型构件较多，百吨级以上吊车应用频繁，站位也经常随之变动，且移动速度缓慢，改变工况耗时长，此类吊车台班费用高。

1.2.2 大型预制板工装的拆卸

大型预制板混凝土达到强度后，需对吊装工装进行拆除，而安全厂房的吊装钢梁重量在5.73t~6.77t，燃料厂房的吊装钢梁重量在9t左右，结合台山1#核岛现场实际情况，塔吊无能力将吊装钢梁整体转运。

台山1#核岛大型预制板吊装工装拆卸作业，综合各方面因素，最终决定将安全厂房21.00m预制板吊装钢梁切割拆卸，燃料厂房31.90m预制板吊装工装借助SCC6300/630T履带吊整体转运。

2 EPR核电建设吊装共用钢梁的选取

由于EPR核电建设中大型预制板吊装钢梁结构构成基本相同，均为带横向加劲肋的工字钢，仅在内部尺寸上存在差异，本着节省人力、物力及资源的原则，一梁多用，建议将EPR核电建设中大预制板吊装钢梁改为通用钢梁，即安全厂房与燃料厂房的大型预制板吊装使用同一种钢梁。

根据EPR核电大型预制板吊装钢梁结构，不改变设计意图，分别对安全厂房与燃料厂房吊装钢梁截面进行承载力计算，对比分析两种钢梁的强度，选取最优钢梁作为共用钢梁。

通过计算可知，相对于安全厂房大型预制板吊装钢梁截面，燃料厂房钢梁截面承受弯矩与剪力的能力更强，据此选用燃料厂房吊装钢梁作为EPR核电大型预制板共用钢梁。

3 EPR核电大型预制板共用钢梁分段

3.1 EPR核电吊装共用钢梁的分段原则

为了便于大型预制板吊装工况的运输、拼装、拆卸，考虑现场施工条件、成本控制等因素，在不改变预制板吊装工况各部件设计尺寸的前提下，将吊装钢梁分段，钢梁段间用连接板及螺栓连接。

根据台山EPR核电现场的塔吊布置情况，燃料厂房建筑施工材料主要由1#、2#塔吊转运，安全厂房建筑施工材料主要由8#塔吊转运，结合大型预制板吊装工装的实际位置，塔吊最大可转运4.8t材料，而共用钢梁的重量为0.44t/m，相当于10.9m共用钢梁的重量，即小于10.9m的共用钢梁均可用塔吊进行拆卸。

吊装过程中，吊索具对钢梁拉力的侧向分力全部由连接每组钢梁的侧向支撑承担。本文分别对钢梁在匀速吊装过程中及安装就位后受力分析，选取内力最小截面作为分段处。

3.2 安全厂房吊装钢梁的力学分析

3.2.1 安全厂房吊装钢梁的数据分析

安全厂房21.00m分布着共3块大型预制板，分别为S1、S2、S3，每块预制板的吊装工装较为均匀，吊装钢梁长度以41.80m为主，为确保安全性，选取每组工装中受力最大钢梁分析。

预制板S1自重63.15t，吊装工装重22.885。预制板吊装工装以钢梁中线对称，即每根钢梁承受吊装工装一半的重量，即22.885t/2=11.4425t。假设预制板密度均匀，则预制板S1吊装钢梁承受重量最大为31.837t。预制板S2自重87.33t，吊装工装重30.985t，吊装工装在预制板S2上布置如图2。预制板吊装工装以中间钢梁对称，即每根钢梁承受吊装工装1/3的重量，即30.985t/3=10.328t。假设预制板密度均匀，分别计算预制板S2的三根吊装钢梁承受重量，选取最大承重钢梁进行分析。

预制板S3自重69.2t，吊装工装重23.125t。以两根纵向钢梁中线为界，每根钢梁承受一侧的工装重量，约为1/2的工装重量，即23.125t/2=11.5625t。假设预制板密度均匀，则预制板S3吊装钢梁承受重量最大为36.9t

3.2.2 安全厂房吊装钢梁的受力分析

由上述可知，预制板S3吊装钢梁承受外部重量最大，将钢梁改为共用钢梁对其受力分析。在整个吊装过程中有两个受力状态，分别是在空中行进状态和吊装就位状态。

首先对空中行进状态受力分析。空中行进状态的受力情况随加速度的变化而变化，本文仅对空中静止与匀速状态展开分析，在计算过程中，乘以安全系数，以覆盖加速状态的受力情况。

根据放样预制板锚筋间距及对应区域预制板所占比重，并利用力学求解器可知，绘制内力图分析。

对预制板吊装就位后工装拆除前受力分析，预制板上部增加了上层钢筋混凝土自重及施工荷载，绘制内力图分析。

3.3 燃料厂房吊装钢梁的力学分析

燃料厂房31.90m板上分布着6块大型预制板，各预制板大小较为均为。预制板呈矩形，长18.49m宽4.55m，为确保安全性，选取重量较大预制板分析。

较大预制板重89.634t，吊装工装重31.1t。燃料厂房大型预制板上下对称，即每根钢梁承受工装及预制板一半的重量。

分别对预制板在空中行进状态和吊装就位状态进行受力分析。首先对空中行进状态受力分析。根据放样预制板锚筋间距及对应区域预制板所占比重，绘制内力图分析。

对预制板吊装就位后工装拆除前受力分析，预制板上部增加了上层钢筋混凝土自重及施工荷载，绘制内力图分析。

根据对燃料厂房与安全厂房大型预制板吊装钢梁的受力分析，结合工程实际，考虑吊车载重安全性，在钢梁受力较小处截断，将其改为铰接，以便材料转运，重复利用，避免浪费。由上述可知，塔吊可以对长度小于10.90m的共用钢梁进行转运，而安全厂房吊装钢梁长14.80m，可将其从中间分为两段长度7.40m的钢梁段。充分利用被截断的安全厂房吊装钢梁资源，将其合理利用于燃料厂房大型预制板吊装中，仅配置长度4.65m钢梁即可，钢梁布置见图3。

图3 燃料厂房钢梁段连接立面图

4 EPR核电共用钢梁的连接

4.1 EPR核电共用钢梁连接板的选取、布置

结合现场实际及内力图，将共用钢梁按长度分为两种，分别为7.40m与4.65m，为便于施工，采用相同类型、级别的螺栓，根据内力图放样可知截面的最大内力。

考虑现场施工的便利性和不改变原设计的原则，根据经验选取连接板、布置螺栓。共用钢梁上下翼缘连接板选用40mm厚Q235级钢板，表面喷砂，螺栓选用10.9级M30高强螺栓摩擦型连接，螺栓孔径31.5mm，按照《钢结构设计规范》螺栓布置规定，具体布置情况见如图13；腹板连接板选用20mm厚Q235级钢板，表面喷砂，螺栓选用采用10.9级M24高强螺栓摩擦型连接，螺栓孔径25.5mm。

4.2共用钢梁连接螺栓强度验算

一、上下翼缘螺栓群强度验算

单栓承载力设计值

受到最大剪力的螺栓为角部螺栓，则

由上述可知，上下翼缘连接板采用10.9级M30高强螺栓摩擦型连接满足强度要求。

二、腹板处螺栓群强度验算

单栓承载力设计值

腹板位置最大弯矩为4773.812KN·m，则

由上述可知，腹板处连接板采用10.9级M24高强螺栓摩擦型连接满足强度要求。

4.3 共用钢梁螺栓孔截面强度验算

由于钢梁上下翼缘与腹板的螺栓孔错位布置，故应分两种情况对钢梁强度验算。

一、上下翼缘开孔处截面强度验算

上下翼缘受弯矩作用，计算如下，即钢梁上下翼缘开孔处截面强度满足要求。

二、腹板开孔处截面强度验算

腹板受弯矩与剪力共同作用，计算如下，即钢梁腹板开孔处截面强度满足要求。

4.4 共用钢梁连接板强度验算

上下翼缘连接板强度验算满足要求。腹板连接板强度验算满足要求。

剪力作用下，破坏面强度验算。在剪力作用下，破坏截面由3条破坏段组成，且与剪力夹角分别为90^o、0^o、90^o，计算如下，可知在剪力作用下，截面不会发生破坏。

四、共用钢梁的刚度与稳定性

根据《钢结构设计规范》，计算结构或构件的变形时，可不考虑螺栓（或铆钉）孔引起的截面削弱，可知刚度满足要求。由于稳定性均以毛截面计算，且钢梁侧向支撑设置不变，故稳定性亦能满足要求。

5通用钢梁的意义

大型预制构件吊装钢梁尺寸长、重量大，现场施工中不易安装、转运，且型号各不相同，从而消耗大量人工、材料。本文通过论证分析，建议在不改变设计意图的前提下，将EPR核电建设中的大型预制板吊装钢梁合理分段，用连接板将其铰接，并将特殊部位在个别钢梁段上体现，对比EPR核电大型预制板吊装施工，优化后钢梁具备以下特点：

1. 节省资源，避免浪费。由于EPR核电大型预制板吊装钢梁重量大，塔吊无能力对其整体转运，综合考量，钢梁最终面临着被切割的窘境，而优化后的钢梁，可通过螺栓及连接板拆分，塔吊可以独立完成对钢梁段的转运，避免浪费。优化前钢梁具有专用性，而优化后钢梁通过分段改变组装形式，可节省70多米的钢梁材料及相应组装部件，大大节省了资源。

2. 一梁多用，并可再利用。由于优化后的钢梁统一了规格、型号、截面，钢梁段长度各异，可根据现场实际应用调整钢梁段的组装，从而使同一钢梁段应用于不同厂房的核电建设，并可根据现场施工进度安排，合理调解大型预制板吊装施工的先后顺序，使通用钢梁得到充分利用，在每次再运用前，复核钢梁变形情况，以确保吊装安全及预制板质量。

3. 加快制作进度，减少工程费用。通过以上两点，可知优化后的钢梁在资源方面减少了大笔费用。为满足所需， EPR核电原吊装钢梁需近300m长度的钢梁，而优化后的钢梁仅需近230m长度的钢梁，减少了70m长度的钢梁制作量，为EPR核电建设紧张的工期创造了有利条件。优化后的吊装钢梁可自主组装拆卸，并可通过塔吊转运，无需利用百吨级履带吊，节省了机械台班费用，减少了直接工程费。

综上所述，采用可拆卸式组合吊装工装可大大节约材料成本、设备租赁费用，且在一定程度上，可重复利用，可推广至类似工程的施工中。本文以核电项目为例，在不改变原设计各项承载能力的前提下，采用连接板、螺栓群形式连接钢梁，导致吊装钢梁承载能力的富余值较大，如项目自身无具体规定，可按同类项目、类似工程等确定吊装钢梁的规格尺寸，合理分段，将可拆卸式吊装工装应用更广泛。

参考文献：

[1] 张启文等.GB5007-2003 钢结构设计规范.北京：中国计划出版社，2003年10月.

[2] 宋玉普.全国一、二级注册结构工程师专业考试教程.2012年.

[3] 赵志缙等.建筑施工手册第四版.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] STT403塔式起重机安装使用说明书.辽宁抚顺.抚顺永茂建筑机械有限公司.

[5] STT293塔式起重机安装使用说明书.辽宁抚顺.抚顺永茂建筑机械有限公司.