CN115600467B - 一种大型装置整体模块化搬迁方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大型装置整体模块化搬迁方法，通过建立有限元计算模型并进行运输力学分析来确定是否需对钢框架结构进行加固，通过计算装置模块重心从而确定SPMT模块运输车与钢框架结构的相对位置，据此确定钢框架结构的加固方案，通过设置运输支承钢梁、斜撑、辅助钢梁作为顶升辅助结构来辅助SPMT模块运输车顶升转运，保证搬迁的安全性。本发明在运输力学分析中还考虑到了最不利荷载工况，并提出引入水平力分项系数，使得计算结果更贴合实际，保证后续加固方案更加可靠，进一步确保搬迁运输的稳定性与安全性。

Description

一种大型装置整体模块化搬迁方法
技术领域
本发明属于钢结构施工及运输技术领域，尤其涉及一种大型装置整体模块化搬迁方法。
背景技术
当前我国建筑业发展逐渐由大规模新建阶段进入新建和维修加固改造阶段，在这一建设进程中，整体迁移技术因其节能环保、工期短、对既有结构保护全面等优势，被广泛应用于大型装置模块的整体搬迁施工项目中。传统的整体迁移技术采用轨道搬迁运输方式，但是这种方式存在占地面积大、铺设轨道造价高昂、耗时长等问题，逐渐难以满足现阶段工程搬迁需求。
SPMT模块运输车(自行式模块运输车)因其具有机械化、自动化程度高等优势，逐渐被应用于整体搬迁工程中。但是由于大型装置模块(例如大型脱汞单元模块、大型裂解炉模块等)钢框架的结构层高较大，且SPMT模块运输车的顶升行程有限，无法单由SPMT模块运输车完成顶升转运作业；同时，此类大型装置模块不仅包含钢框架本身，还包含有若干大型设备，包括卧式设备、立式设备、管道等，其结构受力较为复杂，设备荷载及风荷载对转运作业影响大。
因此，在大型装置模块整体搬迁前，如何进行合理的受力分析以设置顶升辅助结构、如何科学制定加固方案以及搬迁运输方案是保证大型装置模块整体安全稳定搬迁的关键，也是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种大型装置整体模块化搬迁方法，通过对装置模块进行运输力学分析判断是否加固钢框架结构，通过计算装置模块重心确定SPMT模块运输车位置，据此设置运输梁(运输支承钢梁、斜撑、辅助钢梁)对装置模块的钢框架结构进行加固，有效保证了搬迁运输的稳定性与安全性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种大型装置整体模块化搬迁方法，包括如下过程：
步骤1：建立装置模块的有限元计算模型，并进行运输力学分析；
步骤2：确定装置模块重心位置；
步骤3：根据装置模块重心位置确定SPMT模块运输车与装置模块的钢框架结构的相对位置；
步骤4：基于步骤1中的分析结果，判断是否需要加固钢框架结构，当需要加固时，基于SPMT模块运输车与钢框架结构的相对位置确定加固方案，加固完成后进入步骤5，当不需要加固时直接进入步骤6；
步骤5：对加固后的钢框架结构的强度、刚度、稳定性进行验算；
步骤6：对运输路线面层及装置模块就位区域地面进行处理；
步骤7：进行运输前的试车压载试验；
步骤8：进行SPMT模块运输车装车试顶升；
步骤9：通过SPMT模块运输车将装置模块沿着运输路线运输抵达就位区域后，进行分阶段卸载及装置模块就位安装。
进一步地，所述步骤1中的运输力学分析具体过程如下：
步骤1.1：建立钢框架有限元计算模型，针对钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程之外的部位，在该第一层钢梁对应的钢柱之间增设运输支承钢梁；
步骤1.2：施加荷载，荷载包括装置模块总荷载及风荷载；
步骤1.3：按两种工况施加水平力：
工况I：考虑两列或者多列SPMT模块运输车行驶过程未同步，对有限元计算模型中的装置模块施加一正一反方向水平力，该水平力大小均为F1，F1＝μG，μ表示水平力分项系数，G表示装置模块总荷载；
工况II：考虑SPMT模块运输车启动、刹车时的惯性力，对有限元计算模型中的装置模块施加一水平力F2，F2＝ma，m表示装置模块总质量，a表示SPMT模块运输车纵向加速度；
步骤1.4：对有限元计算模型设置约束条件；
步骤1.5：待约束条件设置完成且荷载以及水平力全部施加完成后，进行有限元计算模型的运行计算，获取最不利荷载工况下钢框架结构应力、位移、稳定性数据。
进一步地，所述步骤1.2中，总荷载包括钢框架结构自重、钢格栅板重量、管道重量、设备重量，其中钢格栅板重量按照设计图纸铺设格栅板位置及格栅板规格以每平米相应的重量施加在钢框架结构上，管道重量、设备重量折合成集中荷载施加在管道及设备与钢框架结构接触的钢梁上；总荷载还包括有限元计算模型中未包含的附属构件重量，针对附属构件重量，考虑1.15～1.3的自重放大系数。
进一步地，所述步骤4中钢框架结构的加固方案如下：
在SPMT模块运输车行进方向的钢框架结构的钢柱之间焊接辅助钢梁，同时在钢框架结构上焊接斜撑，斜撑的具体位置如下：
针对钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程内的部位，斜撑一端与第一层钢梁焊接，另一端与钢柱焊接，斜撑倾斜角度45度；
针对钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程外的部位，斜撑一端与运输支承钢梁焊接，另一端位于钢柱与第一层钢梁的连接节点处，且斜撑与钢柱以及第一层钢梁均焊接，形成结构体系共同受力；
针对钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程外且存在有竖向支撑的部位，在钢柱、运输支承钢梁、竖向支撑之间焊接多根斜撑，形成桁架结构体系。
进一步地，所述斜撑与第一层钢梁或运输支承钢梁的连接节点均位于SPMT模块运输车边线上。
进一步地，所述步骤2的具体过程如下：
在有限元计算模型上，对钢框架结构的钢柱柱脚施加约束，计算得到柱脚反力，以钢框架结构四角处的任一钢柱中心所在位置为坐标原点，建立直角坐标系，然后根据下式确定装置模块重心：
Figure BDA0003929014000000031
其中，x表示装置模块重心的x轴坐标；xi表示各柱脚中心的x坐标；Fi表示各柱脚z向反力；y表示装置模块重心的y轴坐标；yi表示各柱脚中心的y坐标。
进一步地，所述步骤8的具体过程为：依据SPMT模块运输车与钢框架结构的相对位置，将SPMT模块运输车驶入装置模块下方，然后分阶段顶升，直至装置模块的钢框架结构柱脚完全脱离地面；顶升过程中，结合SPMT模块运输车车组千斤顶的油压表读数实时复核SPMT模块运输车承重荷载，观察运输支承钢梁的形变情况。
进一步地，所述步骤6中，基于SPMT模块运输车上装置模块总荷载值的25％、50％、75％、90％、100％进行分阶段顶升，上一阶段顶升完成后，静止一段时间，在此期间观察与SPMT模块运输车接触的钢梁，钢梁无异常变化后继续进行下一阶段顶升。
进一步地，所述步骤1.4中，钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程内时，在该第一层钢梁与SPMT模块运输车接触位置设置约束条件；钢框架结构中第一层钢梁在SPMT模块运输车顶升行程外时，在运输支承钢梁与SPMT模块运输车接触位置设置约束条件。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过对大型装置整体进行运输力学分析来判断是否需对钢框架结构进行加固，通过计算装置模块重心位置来确定SPMT模块运输车位置，据此确定相应的加固方案，通过设置运输梁(运输支承钢梁、斜撑、辅助钢梁)作为顶升辅助结构来辅助SPMT模块运输车顶升转运，保证搬迁的安全性。同时，本发明还在运输力学分析中考虑到了最不利荷载工况，并提出引入水平力分项系数，使得计算结果更贴合实际，保证后续加固方案更加可靠，进一步保证搬迁运输的稳定性与安全性。
附图说明
图1为本发明所述装置模块钢框架结构示意图；
图2为第一种钢框架结构加固示意图；
图3为第二种钢框架结构加固示意图；
图4为第三种钢框架结构加固示意图；
图5是以钢框架结构左下角钢柱中心所在位置为坐标原点建立的直角坐标系示意图。
图中：1-钢框架结构；2-钢柱；3-第一层钢梁；4-运输支承钢梁；5-斜撑；6-辅助钢梁；7-竖向支撑。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例优选以某改造项目中的脱汞单元模块化整体搬迁为例进行方案说明，该脱汞单元模块为3层钢框架结构，局部4层，长27m，宽17m，高29m，总重约1000吨。本发明所述的大型装置整体模块化搬迁方法，包括如下过程：
步骤1：装置模块运输力学分析；
步骤1.1：基于装置模块钢框架结构1设计图纸、设备布置图，建立有限元计算模型，若钢框架结构1中第一层钢梁3在SPMT模块运输车顶升行程之外，则在计算模型中，需在该第一层钢梁3对应的钢柱2之间增设运输支承钢梁4，保证运输支承钢梁4高度在SPMT模块运输车顶升行程内；
步骤1.2：施加荷载，荷载主要包括装置模块总荷载G及风荷载：总荷载G包含装置模块中的钢框架结构1自重、运输支承钢梁4自重、钢格栅板重量、管道重量、设备重量(包括阀门、电气仪表等重量)，其中，钢格栅板重量按照设计图纸铺设格栅板位置及格栅板规格优选以50kg/m2施加在钢框架结构1上，管道重量、设备重量根据具体管道及设备参数，折合成集中荷载施加在管道及设备与钢框架结构1接触的钢梁上；总荷载G还包含有限元计算模型中未涵盖的连接节点、栏杆、楼梯、加劲板等附属构件重量，考虑1.15～1.3的自重放大系数，即在实际计算中将有限元计算模型的重量(包括钢框架结构1自重、运输支承钢梁4自重)×自重放大系数；
步骤1.3：两种工况下的施加水平力计算(实际应用中按照最不利情况下施加的水平力进行装置模块结构加固)；
工况I：虑两列或者多列SPMT模块运输车行驶过程未同步，对有限元计算模型中的装置模块施加一正一反方向水平力，水平力大小均为F1，F1＝μG，其中，μ表示水平力分项系数，本实施例中μ取0.05；
工况II：考虑SPMT模块运输车启动、刹车时的惯性力，对有限元计算模型中的装置模块施加一水平力，此水平力大小为F2，F2＝ma，其中，m表示装置模块总质量，a表示SPMT模块运输车纵向加速度，本实施例中a＝0.5m/s2；
步骤1.4：给有限元计算模型中的SPMT模块运输车设置约束条件：按SPMT模块运输车宽度2430mm约束SPMT模块运输车边缘节点Z向自由度，并添加X、Y向节点弹性支承；
步骤1.5：待SPMT模块运输车约束条件设置完成且荷载以及水平力全部施加完成后，进行有限元计算模型的运行计算，获取最不利荷载工况下(γG＝1.3，γQ＝1.5)钢框架结构1应力、位移、稳定性数据，判断是否符合设计规范要求；其中，γG为永久作用的分项系数，γQ为可变作用的分项系数。
步骤2：确定装置模块重心；
将步骤1.3中给SPMT模块运输车施加的约束条件调整为对钢框架结构1的钢柱2柱脚的约束，计算得到柱脚反力，优选以钢框架结构1左下角钢柱2中心所在位置为坐标原点，建立如图5所示的直角坐标系，然后根据下式确定装置模块重心：
Figure BDA0003929014000000061
其中，x表示装置模块重心的x轴坐标；xi表示各柱脚中心的x坐标；Fi表示各柱脚z向反力；y表示装置模块重心的y轴坐标；yi表示各柱脚中心的y坐标；
本实施例中的装置模块重心计算结果如下：
Figure BDA0003929014000000062
Figure BDA0003929014000000063
计算求得重心坐标为(12.45，9.15)，y向偏移形心650mm，x向偏移形心1050mm。
步骤3：根据步骤2计算得到的装置模块重心位置，确定SPMT模块运输车与装置模块钢框架结构1的相对位置，确保后续运输过程中SPMT模块运输车受力均匀，避免发生倾覆。
步骤4：基于步骤1中的运行计算结果判断是否对钢框架结构1进行加固：当最不利荷载工况下钢框架结构1应力、位移、稳定性数据不符合设计规范要求时需进行加固，否则不进行加固，直接进入步骤6；
加固后的钢框架结构1整体如图1所示，具体的加固方案如下：
针对钢框架结构1运输过程中平面外稳定特点及构件合理的高厚比、宽厚比原则，进行加固构件截面选型及施加位置的确定，即如图1所示，通过在SPMT模块运输车行进方向的钢框架结构1的钢柱2之间增加辅助钢梁6来提高钢框架结构1平面外稳定性；同时，钢框架结构1中还设置有斜撑5，如图2至4所示，斜撑5的设置又分为以下三种情况：
(1)针对钢框架结构1中第一层钢梁3在SPMT模块运输车顶升行程内的部位，如图2所示，斜撑5一端与第一层钢梁3焊接，另一端与钢柱2焊接，斜撑倾斜角度为45度；
(2)针对钢框架结构1中第一层钢梁3在SPMT模块运输车顶升行程外的部位，如图3所示，斜撑5一端与运输支承钢梁4焊接，另一端位于钢柱2与第一层钢梁3的连接节点处，且斜撑5与钢柱2以及第一层钢梁3均焊接，形成结构体系共同受力；
(3)针对钢框架结构1中第一层钢梁3在SPMT模块运输车顶升行程外且存在有竖向支撑7的部位，如图4所示，在钢柱2、运输支承钢梁4、竖向支撑7之间焊接多根斜撑5，以形成桁架结构体系；
所述斜撑5在第一层钢梁3或运输支承钢梁4上的位置根据步骤3中的SPMT模块运输车布置位置来确定，确保斜撑5与第一层钢梁3或运输支承钢梁4的连接节点均位于SPMT模块运输车边线上。
步骤5：基于加固后的有限元计算模型，重复步骤1.5，再次进行有限元计算模型的运行计算，对钢框架结构1的应力、位移、稳定性进行验算，验算结果符合规范要求则表明步骤4中的加固方案通过。
步骤6：运输路线及就位区域地面处理；
当装置模块就位区域与原路面存在高差时，在装置模块就位区域回填沙子至沙层上表面与现有水泥路面齐平，然后冲水密实，再用挖掘机平整压实，然后用20～25吨压路机振动碾压路面，待路面表面无下沉变化后，采用原位试验法进行地基承载力试验，且保证每100㎡面积内应有一个检验点，检验合格后，为防止SPMT模块运输车的车轮刨坑打滑，根据运输线路图，在运输路线面层以及就位区域铺垫钢板；
本实施例中，进行地基承载力试验时，地基承载力不小于10.6t/㎡时即为满足要求；运输路线面层以及就位区域上铺垫的钢板厚度均为20mm。
步骤7：进行运输前的试车压载试验；
在SPMT模块运输车行驶路线区域选择两个试验点，在每个试验点位置上放置箱型路基箱及相应配重块，保证其对地压强满足试验要求，然后在现场确定一个测量基准点，在每组配重块上找到2个位置作为测量点，并做好标记；配重块静置24h，测量记录配重块上2个测量点的沉降量，若2个测量点最大沉降量不大于50mm，则证明地基合格，满足SPMT模块运输车钢板直接接地对地承载需求。
步骤8：SPMT模块运输车装车试顶升；
根据步骤3中确定的SPMT模块运输车布置位置，将SPMT模块运输车驶入装置模块下方，然后基于SPMT模块运输车上装置模块总荷载值的25％、50％、75％、90％、100％进行分阶段顶升，上一阶段顶升完成后，静止十分钟，在此期间观察与SPMT模块运输车接触的钢梁，钢梁无异常变化后继续进行下一阶段顶升，如此循环，直至装置模块的钢框架结构1柱脚完全脱离地面，即装置模块的重量完全加载在SPMT模块运输车上；同时，顶升过程中结合SPMT车组千斤顶的油压表读数实时复核SPMT承重荷载，观察运输支承钢梁4的形变情况是否在规范要求内。
步骤9：分阶段卸载及装置模块就位安装；
通过SPMT模块运输车将装置模块沿着运输路线运输抵达就位区域的坐标点位后，进行分级卸车，将装置模块落至新址基础之上，保证装置模块钢框架结构1钢柱2的螺栓孔正对于新址基础上的螺栓，并在新址基础的底板焊上抗剪键，若螺栓孔有小量偏差，可用气焊修正螺栓孔，使其全部螺栓孔能穿于螺栓内；待钢柱2全部座落到新址基础上后，带上螺帽，SPMT模块运输车车板下降卸载并退出，然后对装置模块进行调平调正。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，包括如下过程：
步骤1：建立装置模块的有限元计算模型，并进行运输力学分析；
步骤2：确定装置模块重心位置；
步骤3：根据装置模块重心位置确定SPMT模块运输车与装置模块的钢框架结构(1)的相对位置；
步骤4：基于步骤1中的分析结果，判断是否需要加固钢框架结构(1)，当需要加固时，基于SPMT模块运输车与钢框架结构(1)的相对位置确定加固方案，加固完成后进入步骤5，当不需要加固时直接进入步骤6；
步骤5：对加固后的钢框架结构(1)的强度、刚度、稳定性进行验算；
步骤6：对运输路线面层及装置模块就位区域地面进行处理；
步骤7：进行运输前的试车压载试验；
步骤8：进行SPMT模块运输车装车试顶升；
步骤9：通过SPMT模块运输车将装置模块沿着运输路线运输抵达就位区域后，进行分阶段卸载及装置模块就位安装；
所述步骤1中的运输力学分析具体过程如下：
步骤1.1：建立钢框架有限元计算模型，针对钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程之外的部位，在该第一层钢梁(3)对应的钢柱(2)之间增设运输支承钢梁(4)；
步骤1.2：施加荷载，荷载包括装置模块总荷载及风荷载；
步骤1.3：按两种工况施加水平力：
工况I：考虑两列或者多列SPMT模块运输车行驶过程未同步，对有限元计算模型中的装置模块施加一正方向的第一水平力和一反方向的第一水平力，第一水平力大小均为F1，F1＝μG，μ表示水平力分项系数，G表示装置模块总荷载；
工况II：考虑SPMT模块运输车启动、刹车时的惯性力，对有限元计算模型中的装置模块施加一第二水平力F2，F2＝ma，m表示装置模块总质量，a表示SPMT模块运输车纵向加速度；
步骤1.4：对有限元计算模型设置约束条件；
步骤1.5：待约束条件设置完成且荷载以及水平力全部施加完成后，进行有限元计算模型的运行计算，获取最不利荷载工况下钢框架结构(1)应力、位移、稳定性数据；
所述步骤4中钢框架结构(1)的加固方案如下：
在SPMT模块运输车行进方向的钢框架结构(1)的钢柱(2)之间焊接辅助钢梁(6)，同时在钢框架结构(1)上焊接斜撑(5)，斜撑(5)的具体位置如下：
针对钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程内的部位，斜撑(5)一端与第一层钢梁(3)焊接，另一端与钢柱(2)焊接，斜撑倾斜角度45度；
针对钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程外的部位，斜撑(5)一端与运输支承钢梁(4)焊接，另一端位于钢柱(2)与第一层钢梁(3)的连接节点处，且斜撑(5)与钢柱(2)以及第一层钢梁(3)均焊接，形成结构体系共同受力；
针对钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程外且存在有竖向支撑(7)的部位，在钢柱(2)、运输支承钢梁(4)、竖向支撑(7)之间焊接多根斜撑(5)，形成桁架结构体系；
所述步骤1.2中，总荷载包括钢框架结构(1)自重、钢格栅板重量、管道重量、设备重量，其中钢格栅板重量按照设计图纸铺设格栅板位置及格栅板规格以每平米相应的重量施加在钢框架结构(1)上，管道重量、设备重量折合成集中荷载施加在管道及设备与钢框架结构(1)接触的钢梁上；总荷载还包括有限元计算模型中未包含的附属构件重量，针对附属构件重量，考虑1.15～1.3的自重放大系数。
2.根据权利要求1所述的大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，所述斜撑(5)与第一层钢梁(3)或运输支承钢梁(4)的连接节点均位于SPMT模块运输车边线上。
3.根据权利要求1所述的大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
在有限元计算模型上，对钢框架结构(1)的钢柱(2)柱脚施加约束，计算得到柱脚反力，以钢框架结构(1)四角处的任一钢柱(2)中心所在位置为坐标原点，建立直角坐标系，然后根据下式确定装置模块重心：
Figure FDA0004209905840000021
其中，x表示装置模块重心的x轴坐标；xi表示各柱脚中心的x坐标；Fi表示各柱脚z向反力；y表示装置模块重心的y轴坐标；yi表示各柱脚中心的y坐标。
4.根据权利要求1所述的大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，所述步骤8的具体过程为：依据SPMT模块运输车与钢框架结构(1)的相对位置，将SPMT模块运输车驶入装置模块下方，然后分阶段顶升，直至装置模块的钢框架结构(1)柱脚完全脱离地面；顶升过程中，结合SPMT模块运输车车组千斤顶的油压表读数实时复核SPMT模块运输车承重荷载，观察运输支承钢梁(4)的形变情况。
5.根据权利要求4所述的大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，所述步骤6中，基于SPMT模块运输车上装置模块总荷载值的25％、50％、75％、90％、100％进行分阶段顶升，上一阶段顶升完成后，静止一段时间，在此期间观察与SPMT模块运输车接触的钢梁，钢梁无异常变化后继续进行下一阶段顶升。
6.根据权利要求1所述的大型装置整体模块化搬迁方法，其特征在于，所述步骤1.4中，钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程内时，在该第一层钢梁(3)与SPMT模块运输车接触位置设置约束条件；钢框架结构(1)中第一层钢梁(3)在SPMT模块运输车顶升行程外时，在运输支承钢梁(4)与SPMT模块运输车接触位置设置约束条件。
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