Management&TechnologyofSME
中小型立式圆筒形储罐倒装法抱杆提升系统优化设计的
研究
OptimizationDesignofHoldingPoleLiftingSystemfortheSmallandMedium-Sized
VerticalCylindricalStorageTankWithUpside-DownMethod
陈邦
（帕克环保技术（上海）有限公司，上海201319）
CHENBang
(PaquesEnvironmentalTechnology(Shanghai)Co.Ltd.,Shanghai201319,China)
【摘要】目前倒装法施工工艺广泛应用于立式圆筒形储罐施工。论文以某污水处理项目金属储罐现场制作为案例，对储罐抱杆提
升系统进行优化设计，包括抱杆提升系统的型式选择、倒链的选用、吊耳的结构等。通过建立力学模型，分析验证了优化后抱杆提升系统的强度、稳定性。该新设计的系统在确保安全的前提下，能有效提高施工效率，保证施工质量，降低施工成本。
【Abstract】Theupside-downmethodhasbeenwidelyappliedintheconstructionofverticalcylindricalstoragetank.Thearticletakeson-site
constructionofaverticalstoragetankinawastewatertreatmentprojectasanexample.Thedesignofholdingpoleliftingsystemofthestoragetankwasoptimized,includingthetypeselectionofholdingpole,chainblock,thestructureofliftinglugsetc.,Bysettingupamechanicmodel,thestrengthandthestabilityoftheliftingsystemwasanalyzedandvalidated.Underthepremiseofensuringsafety,thenewsystemcanimprovetheworkingefficiency,ensuretheprojectqualityandlowerconstruction?costs.
【关键词】抱杆；倒装法；圆筒形储罐
【Keywords】holdingpole;upside-downmethod;cylindricaltank
【中图分类号】TE99【文献标志码】A【文章编号】1673-1069（2017）04-0144-03
１概论
立式圆筒形储罐大量应用于石油化工、粮油、环保等行业，主要用于存储常压或微小内压的物料、气体、液体。对于小于10000m的中小型储罐，采用倒装法具有无须搭设脚手架、
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快安装进度，本项目设计了内、外两套抱杆系统。以外抱杆提升第一壁板和顶板，随后使用内抱杆系统完成后续的起重。
①储罐底板组装焊接完成后，进行质量检查，确保底部平整。②依次完成第一圈壁板、罐顶板、相关附件的装配焊接。顶板无须开天窗。③在罐外安装外抱杆提升系统，用于提升第一圈壁板和顶板结构。利用外抱杆提升2m，以保证有足够的空间安装内抱杆立柱。④将内抱杆系统在罐内安装完成，进行系统调试以确保各立柱上的电动葫芦受力均匀，随后将受力转移到内抱杆系统上。⑤拆除外抱杆进行第二圈壁板组装焊接，通过电动葫芦的提升带动储罐整体上升，完成下一圈壁板的组装焊接，不断重复直至全部完成。［１］
无高空作业、人员较少、不受气候制约、起重方便灵活、设备低廉可重复使用等优点，是目前较为常用的安装方法。论文以某环保污水处理项目储罐制作为例，对中小型立式圆筒形储罐倒装法施工工艺进行优化设计，并对设计进行分析验证。
２倒装法电动葫芦提升施工工艺
２．１一般倒装法施工顺序
基础验收—铺装罐底板—最上层壁板—罐顶板—安装内抱杆—依次完成后续壁板的安装—补焊顶板装配工艺孔—交工验收。
３抱杆提升系统的优化设计与计算
３．１项目设计参数
以直径20m、高20m、容积6300m3的拱顶罐为例，储罐总重约200t，所需起重质量174t。
２．２施工工艺优化顺序
多数倒装法仅使用一套内抱杆提升，所以带顶储罐需要在顶板上开孔以方便安装抱杆立柱。为控制质量减少焊缝，加【作者简介】陈邦），男，湖南安化人，助理工程师，从事市政（１９８６－
工程施工管理与技术研究。
（见图１）３．２外抱杆设计
3.2.1外抱杆系统荷载与倒链计算
据设计可知：①G1顶板39.6t；②G2抗风圈2.4t、中心支撑等1.6t；③G3第一圈壁板10t。
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图1
外抱杆提升系统示意图
外抱杆最大起重质量G0=G1+G2+G3=56000kg
考虑风荷载、不均衡、摩擦等因素影响，设外抱杆安全系数K=1.28，G=K·G0=1.28×56000≈72000kg
抱杆数量及倒链能力选择。本项目一般使用10T倒链，若仅满足倒链安全性，可知至少要8组抱杆。而以8组抱杆为例计算立柱强度稳定性，发现无法满足要求。通过试算（详见3.2.2），至少需要12组才能满足要求，每组抱杆受力：
P=G×gn=72000012=60000N
3.2.2建立外抱杆受力模型进行强度与稳定性分析
为保证起吊过程的侧向稳定性，外抱杆采用人字形结构，立柱选用两根Φ159×6钢管，立柱间夹角24°，垂直高度为5.9m。顶端连接板及吊耳采用厚度t=20mm钢板制作，如图2所示。
图2外抱杆立柱图及受力模型
①Φ159×6钢管截面积：A=π
（D2
-d2
）4=2884mm2。②惯性矩：I=π（D4
-d）4
64=8454042mm4。③抗弯截面模数：W=πD（2
1-（d/D））4
32=106340mm3。④Q235B弹性模量:E=200GPa。
⑤倒链挂点与立柱中轴线偏移量e=250mm。
⑥确保正常提升下倒链尽量紧贴罐体，抬升到最大起吊高度时钢丝绳与竖直线间夹角约为2.2°。
⑦单组抱杆受力：FV=P=60000N
新技术应用与实践
ApplicationandPracticeofNewTechnology
Fh=FV×tanα=60000×tan（2.2°）=2300NN1=N2=
FV
=600002×cos=30670.1N
2×cos（φ2
）（12）°T1=T2=F2Vtan（φ2）=600002tan（12°）=141140N
T1、T2大小相等方向相反，其作用相互抵消，计算中可忽略。⑧单根圆钢管弯矩：M=MV+Mh=FV×e+F22h×L
=60000*0.25+230022*5.9=14285N
·m⑨单根钢管强度校核：σ=M/W+N/A=14285*1000/106340+30670.1/2884=144.96MPa
Q235的许用应力[σ]=235/1.5=157MPa，可得σ＜［σ]。所以Φ159×6钢管满足强度要求。
⑩立柱的稳定性校核：σ=N1/A+Ma/W
细长比λ=uL/i，i=姨I/A，其中，L为钢管长度，两端铰支取系数u=1。
i=姨I/A=54mm，
λ=uL/i=109.2σ=30670.1/2884+10892.5×1000/106340≈113.065MPaσcr=π2E/λ2=π2×200000/109.22=165.4MPa可得σ<σcr，所以立柱具有足够的稳定性。
３．３内抱杆设计
立柱均布于罐体内侧圆周，
上部挂10T倒链，倒链挂钩拉在罐壁下部胀圈上，其结构形式如图3所示。
图3内抱杆立柱示意图图4内抱杆受力模型
3.3.1内抱杆系统荷载与倒链计算
据设计可知：①G1顶板39.6t；②G2抗风圈2.4t、中心支撑等1.6t；③G3共计10圈壁板117.6t；④G4各种附件9.3t。
实际最大起重质量G0=G1+G2+G3+G4=174.1t；
考虑风荷载、
不均衡、摩擦等因素影响设外抱杆起重安全系数K=1.25，G=K·G0=1.25×174.1≈220000kg；
抱杆数量及倒链选择：P=G×g20=220000022=100000N。
通过计算，
22个10T电动葫芦刚好满足受力要求，设22145
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根立柱。
3.3.2建立内抱杆受力模型进行强度与稳定性分析
考虑罐体直径和项目常用辅材，使用Φ219×6钢管作为立柱，高3.8m，吊耳厚20mm、高200mm，顶部用I14槽钢与抱杆连接。
①Φ219×6钢管截面积：A2
2
z=π
（D-d）=4015mm24；②惯性矩：I（D4
-d）4
z=π
4=22787381mm4；③抗弯截面模数：W3z=πD（1-（d/D）4
）32=208104mm3；④工字钢与吊耳板组合截面积：Al=4646mm2；⑤惯性矩：Il=43349356mm4；⑥抗弯截面模数：Wl=203400mm3；⑦吊耳中心偏移量e=190mm
⑧钢丝绳与竖直线最大夹角约为1.3°；⑨单组抱杆受力模型如图4所示：
Fv=P=100000NFh=Fv×tanα=100000×tan（1.3°）=2270N；⑩单根弯管所受弯矩：
N吊耳=Fv*L=100000×190×10-3=19000N·mMA=Fh*L/2=2270×3800/2×10-3=4313N·m；輥輯訛单根钢管的强度校核：σZ=MA=4313×103W=20.73MPa
Z208104许用应力[σ]=235/1.5=157MPa，可得σZ<[σ]，所以Φ219×6钢管满足强度要求。
輥輰訛立柱的稳定性校核：a截面的惯性半径i=
姨IAZ=
Z
姨227873814015=75.34mm；b细长比（式中：一端固定杆取μ=2）λ=μLi=2*380075.34=100.86；c立柱中间部位应力为σZAm=M2WAx=
Z43132*208104×103=10.36MPa。因λ（2λ2=61）≤λ≤λ（1λ1=105），故应按中等柔度杆进行稳定性校核，选用经验公式σcr=a-bλ（查得Q235B碳钢a=30400N/cm2，b=112N/cm2），σcr=a-bλ=247.mMPa。
可得σcr>[σ],说明立柱先发生强度破坏，所以吊装柱有足够的稳定性。
３．４胀圈、吊耳设计
①内抱杆使用10T倒链22台，起重质量175t，设安全系数K=1.25，则吊耳平均承重载荷：F=175×1.25×1000×10÷22=99432N；
②提升杆用吊耳、胀圈如图5所示（厚度b=20mm）：③吊耳强度校核：146
图5吊耳示意图
竖向载荷：即单台倒链载荷99432N；
径向弯矩：M2-2=F×L=99432×190=18892045N.mm；受力处截面抗弯截面模数：W2-2=bh2/6=20×2002/6=1.33×105mm3；
受力处剪应力：τ1-1=F/A1=99432/60×20=82.86MPa；根部剪应力：τ2-2=F/A2=99432/20×200=24.86MPa；；吊耳根部截面许用应力σ=M2-2/W=18892045/1.33×105=141.69MPa；
Q235B许用应力：[σ]=235/1.5=156.67MPa。
查材料力学，一般在100℃以下Q235B取许用剪应力[τ]=113MPa，这里考虑焊接因素取0.7减弱系数，实际许用剪应力：[τ]Y=0.7×[σ]=109.7MPa。
可得：σ<[σ]；τ1-1<[τ]Y；τ2-2<[τ]Y，所以此吊耳满足需求。④胀圈吊耳强度校核：胀圈竖向载荷99432N，受力处剪应力：τ3=F/A3=99432/（220×20）=22.6MPa，可得：τ3<[τ]Y，所以此吊耳满足要求。
４施工过程注意事项
①做好原材料检验，确保抱杆的材质、规格、型号符合要求。②吊点与抱杆、胀圈等关键受力连接部位应满焊且无焊接缺陷。③外抱杆人字形立柱应确保垂直，与底板连接固定。④内抱杆立柱于圆周均匀分布，设斜撑与底板连接，立柱之间、立柱与中心柱互相连接形成一个整体，形成较强的抗风能力。⑤应确保倒链灵活、限位灵敏，链扣不得有断裂，提升刻度明显、准确，安装后试运行验证。⑥倒链的型号要一致，提升时所有倒链应同步匀速上升，提升过程派专人指挥和监护，防止倒链卡住等异常状况发生。⑦6级以上强风天气不得提升。
５结语
综上所述：
结合目前常规项目条件，在确保钢材规格、吊装角度、吊点偏移量、焊接强度等约束条件下，抱杆系统设计可以满足类似储罐的提升要求。该设计采用内外抱杆组合的形式进行倒装法施工，能减少罐顶焊缝、方便操作，抱杆系统可重复利用，相对边柱倒装法又有了提升改进，节约了现场工作时间与成本3%～5%，值得推广应用。
【参考文献】
1】李道奎.材料力学[M].北京：
高等教育出版社，2014.【
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