CN116216482B - 一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统及吊装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统及吊装方法，吊装系统包括三角平衡梁，三角平衡梁上表面焊接用于吊装的吊耳板，三角平衡梁下部焊接圆管柱，圆管柱底部焊接法兰盘，吊装系统中心安装有与全站仪配合的棱镜定位系统。本发明基于吊装系统，通过操作吊装机械并配合全站仪即可将在地面散拼完成的风机塔架标准段吊装就位，简化了传统施工工艺中高空散拼的施工工序，降低了劳动强度，提高了构件一次就位成功率。本发明还利用有限元法进行了吊装系统结构的优化设计，计算出了最优的三角平衡梁截面面积，优化了法兰盘螺栓数量，在保证结构安全可靠的前提下，最大限度的降低了吊装系统自重，减少了现场安拆工作量，进一步提高了吊装效率。

Description

一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统及吊装方法

技术领域

本发明属于风机塔架吊装技术领域，尤其涉及一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统及吊装方法。

背景技术

随着风力发电的不断发展，风机容量逐步增加，电力设施塔架也逐渐朝着大型化、规模化方向发展，塔架高度越来越高，用钢量也不断增大，因而对电力塔架结构的设计提出了更高的要求。在这样的发展背景下，桁架式塔架应运而生，桁架式塔架结构刚度大，塔架高度可以达到120m甚至更高，而且散件拼装运输成本低，基础造价远低于同等机型和轮毂高度的圆管塔筒基础，克服了传统圆筒式塔架存在造价高、运输难度大、塔架整体刚度小等缺点，应用日趋广泛。

然而在目前的桁架式塔架施工过程中，由于其钢构件需要现场拼装，每一根钢构件在高空散拼时，其定位和吊装精度控制较为困难，导致施工工效低下，施工周期长。因此，如何提升桁架式塔架吊装施工作业的效率和精度是目前本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统及吊装方法，解决了传统的桁架式塔架钢构件高空散拼所存在的定位和精度控制难、施工效率低、施工周期长的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种桁架式风机塔架标准段整体吊装系统，包括由三根空心矩形钢管焊接而成的三角平衡梁，空心矩形钢管上表面中部均焊接有吊耳板；三角平衡梁下表面的三个角部位置处均垂直焊接有一圆管柱，圆管柱底部焊接有法兰盘；三角平衡梁中心位置处安装有棱镜定位系统。

进一步地，所述棱镜定位系统包括安装在棱镜座中心的360度棱镜，棱镜座四周间隔均匀地固定有三根支撑架，支撑架另一端均焊接固定在三角平衡梁上。

进一步地，所述吊耳板与三角平衡梁表面之间焊接有多块加强肘板。

进一步地，所述法兰盘与圆管柱表面之间焊接有多块法兰加劲板。

一种利用上述桁架式风机塔架标准段整体吊装系统的吊装方法，包括如下过程：

步骤1：根据桁架式风机塔架结构进行吊装系统结构设计；

步骤2：结合风机塔架标准段的实际重量以及有限元分析计算，确定吊装系统中三角平衡梁的最优截面面积、法兰盘的螺栓孔数量；

步骤3：根据步骤2中的分析结果，设计并制作吊装系统；

步骤4：进行起重机械选型，并确定起重机械占位；

步骤5：在施工现场地面上散拼第一节风机塔架标准段，然后将吊装系统的法兰盘与第一节风机塔架标准段上的法兰通过安装螺栓对中连接，将吊装系统与起重机械连接，起钩试吊；

步骤6：试吊无误后，正式吊装第一节风机塔架标准段，吊装过程中利用全站仪与棱镜定位系统配合，实时进行测量定位，待第一节风机塔架标准段吊装就位后，卸下吊装系统；

步骤7：重复步骤5、6，直至所有风机塔架标准段吊装安装完成。

进一步地，所述步骤2中，吊装系统中三角平衡梁的最优截面面积计算方法如下：

首先，将风机塔架标准段三维设计模型导入有限元分析软件中，划分网格，赋予模型材料物理属性；

然后，将模型上的三处吊装点的法兰表面分别耦合至RP1、RP2、RP3三点，约束水平自由度，并将RP1、RP2、RP3三点作为吊点进行吊装模拟；

接着，提取任一吊点的水平反力F₁、垂直反力F₂，利用下式计算三角平衡梁的第一截面面积A₁：

其中，l表示风机塔架标准段上部法兰中心点之间的距离；S表示风机塔架标准段吊装阶段，三角平衡梁的空心矩形钢管允许变形量；E表示三角平衡梁材料弹性模量；

接着，根据下式确定三角平衡梁的第二截面面积A₂：

A₂＝2Bs+2Hs-4s²

其中，B表示三角平衡梁的空心矩形钢管宽度；s表示三角平衡梁的空心矩形钢管厚度；H表示三角平衡梁的空心矩形钢管高度；σ表示三角平衡梁跨中顶面拉应力；f_sd表示方钢材料抗拉强度标准值；

最后，计算三角平衡梁的最优截面面积A_min：A_min＝max{A₁，A₂}。

进一步地，所述步骤2中，法兰盘的螺栓孔数量为N，其中，d_e表示螺栓的有效直径；f_t ^b表示螺栓抗拉强度设计值。

进一步地，所述风机塔架标准段吊装过程中，利用全站仪与棱镜定位系统配合进行实时测量定位的具体方法如下：

选取待安装的风机塔架外任意一点作为全站仪测站点，全站仪进入坐标测量状态，选取桁架式风机塔架基座中心点为观察点，测取该点的水平XY轴坐标：X1、Y1；

用全站仪照准吊装系统中360度棱镜，进入连续测量状态，跟踪测量，持续更新测点水平XY轴坐标：X2、Y2；

全站仪蓝牙模式打开，将测点数据实时传输至起重机械操作室内的操作界面上，操作人员据此操作起重机械，使得X2、Y2数据与X1、Y1数据保持一致。

本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明自行设计了吊装系统，采用三角平衡梁体系进行吊装，方便快捷、稳定性好，能够避免吊装过程中因重心不稳导致倾覆问题的发生；同时，本发明还利用有限元法进行了吊装系统结构的优化设计，计算出了最优的三角平衡梁截面面积，优化了法兰盘螺栓数量，在保证结构安全可靠的前提下，最大限度的降低了吊装系统自重，减少了现场安装螺栓的安拆工作量，进一步提高了吊装效率。

在吊装过程中，本发明还结合“全站仪+三角棱镜”进行风机塔架标准段的定位，解决了吊装定位难的问题，提高了构件一次就位成功率。在本发明的吊装工艺方法中，利用索具或钢丝绳捆绑在吊装系统的吊耳上，然后操作吊装机械并配合全站仪，即可将在地面散拼完成的风机塔架标准段吊装就位，吊装系统操作简单，实用性强，简化了传统施工工艺中高空散拼的施工工序，降低了工人的劳动强度，能够按计划节点实现一次吊装就位成功。本发明不仅可用于装卸桁架式塔架，还可拓展应用于同类型需要吊装的其他钢结构作业中，适用范围较广。

附图说明

图1为本发明所述吊装系统与风机塔架标准段组装示意图；

图2为本发明所述吊装系统结构示意图；

图3为本发明所述棱镜定位系统示意图；

图4为本发明圆管柱与法兰盘连接详图。

图中：1-三角平衡梁；2-圆管柱；3-法兰盘；4-吊耳板；5-法兰加劲板；6-加强肘板；7-棱镜定位系统；8-风机塔架标准段。

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。

如图1所示，本发明所述的桁架式风机塔架标准段整体吊装系统，包括三角平衡梁1、圆管柱2、法兰盘3、吊耳板4以及棱镜定位系统7。

如图1、2所示，三角平衡梁1是由三根空心矩形钢管焊接而成的三角形结构，三根空心矩形钢管上表面中部位置均焊接有一用于吊装的吊耳板4，吊耳板4与空心矩形钢管表面之间还焊接有四块加强肘板6，四块加强肘板6对称布置在吊耳板4两侧。

如图2、4所示，三角平衡梁1下表面的三个角部位置处均垂直焊接有一圆管柱2，圆管柱2底部焊接有法兰盘3，法兰盘3与圆管柱2表面之间焊接有多块法兰加劲板5，法兰加劲板5沿圆管柱2周向间隔均匀布置。

如图2、3所示，棱镜定位系统7包括360度棱镜700、棱镜座701、支撑架702。三根支撑架702为三段矩形钢管，三根支撑架702的一端分别焊接在对应的三角平衡梁1的空心矩形钢管上，另一端均通过螺栓螺母与棱镜座701固定；棱镜座701中心开设有与360度棱镜700的底座相配合的通孔，360度棱镜700安装在棱镜座701中心处，通过沉头螺塞能够对360度棱镜700进行固定以及高度微调。

实际吊装施工时，通过螺栓将法兰盘3与风机塔架标准段8原有的法兰节点连接，利用吊耳板4即可实现对桁架式风机塔架标准段8的整体提升。

利用上述吊装系统对桁架式风机塔架标准段8进行吊装的方法如下：

步骤1：根据桁架式风机塔架结构进行吊装系统结构设计。

步骤2：结合风机塔架标准段8的实际重量以及有限元分析计算，确定吊装系统中三角平衡梁1的最优截面面积、法兰盘3的螺栓孔数量；

针对三角平衡梁1：

三角平衡梁1采用三根空心矩形钢管焊接制成，空心矩形钢管截面尺寸通过计算机数值模拟进行优化，在控制吊装系统整体变形的基础上以减少其自重，具体的优化设计方法如下：

首先，将实际待吊装的风机塔架标准段8三维设计模型导出为*sat格式，并导入有限元分析软件中，然后划分网格，赋予模型材料物理属性，包括弹性模量、泊松比及密度；

然后，利用有限元分析软件中的“kinematic coupling”模块，将模型上的三处吊装点法兰表面分别耦合至RP1、RP2、RP3三点，约束RP1、RP2、RP三点的水平自由度，并将RP1、RP2、RP3这三点作为吊点，进行吊装模拟；

接着，提取任一吊点(本实施例中选取RP1点)的水平反力F₁、垂直反力F₂，然后利用下式确定三角平衡梁1三根空心矩形钢管的第一截面面积A₁：

其中，l表示风机塔架标准段8上部法兰中心点之间的距离；S表示风机塔架标准段8吊装阶段，三角平衡梁1的空心矩形钢管允许变形量；E表示三角平衡梁1材料弹性模量；

接着，根据吊装过程中三角平衡梁1弯曲应力满足材料力学性能，确定三角平衡梁1三根空心矩形钢管的第二截面面积A₂：

A₂＝2Bs+2Hs-4s²

其中，B表示三角平衡梁1的空心矩形钢管宽度；s表示三角平衡梁1的空心矩形钢管厚度；H表示三角平衡梁1的空心矩形钢管高度；σ表示三角平衡梁1跨中顶面拉应力；f_sd表示方钢材料抗拉强度标准值；

最后，计算三角平衡梁1的空心矩形钢管最优截面面积A_min：A_min＝max{A₁，A₂}；

针对法兰盘3：

法兰盘3上沿圆周方向上设置有多个螺栓孔，且吊装系统上的螺栓孔与风机塔架标准段8原有的法兰上的螺栓的位置相对应，在保证吊装过程中法兰盘3强度的前提下，本实施例利用下式对吊装系统法兰盘3上螺栓孔的数量进行了优化设计，以缩短吊装过程中法兰盘3螺栓连接整体安装及拆卸时间，提高吊装效率；

其中，N表示吊装系统法兰盘3上的螺栓孔数量；d_e表示螺栓的有效直径；f_t ^b表示螺栓抗拉强度设计值。

步骤3：根据步骤2中的分析结果，设计并制作吊装系统，确定吊装系统在风机塔架标准段8吊装中的实际吊装位置。

步骤4：根据桁架式风机塔架、吊装系统的几何尺寸以及实际重量进行起重机械选型，并根据桁架式风机塔架的实际安装位置确定起重机械占位。

步骤5：在施工现场地面上散拼第一节风机塔架标准段8，然后将吊装系统法兰盘3与第一节风机塔架标准段8上的法兰通过安装螺栓对中连接，调整起重机械上的机具长度，将机具上的吊钩与吊耳板4连接，微调三角平衡梁1，起钩试吊。

步骤6：试吊无误后，正式吊装第一节风机塔架标准段8，在此过程中结合全站仪实时进行测量定位，待吊装就位后，校正垂直度和标高，确认无误后，将第一节风机塔架标准段8下端与安装位置处的柱脚连接板焊接固定，第一节风机塔架标准段8安装完成；然后将吊装系统与第一节风机塔架标准段8连接的安装螺栓解除，吊装系统卸落。

步骤7：重复步骤5、6，将第二节风机塔架标准段8吊装至安装位置处(即第一节风机塔架标准段8上方)，待第一节风机塔架标准段8上端法兰与第二节风机塔架标准段8下端法兰对中后，进行螺栓的初拧，然后进行定位微调，微调结束后继续对风机塔架标准段8之间的螺栓施拧，保证拧紧。

步骤8：重复步骤5、6、7，直至所有风机塔架标准段8吊装安装完成。

上述吊装过程中，结合吊装系统以及全站仪进行实时测量定位，保证安装精准度，具体方法如下：

选取距待安装风机塔架一定距离的任意点作为全站仪测站点，在测量模式下，按下“坐标”软键，使得全站仪进入坐标测量状态，选取桁架式风机塔架基座中心点为观察点，测取该点的水平XY轴坐标：X1、Y1；

吊装过程中，用全站仪照准吊装系统中360度棱镜700，操作软件进入连续测量状态，跟踪测量，持续更新测点水平XY轴坐标：X2、Y2；

打开全站仪蓝牙模式，将测点数据实时传输至起重机械操作室内的操作界面上，供操作室内的操作人员查看，操作人员据此操作起重机械，使得测点X2、Y2数据与X1、Y1数据保持一致，然后由外部施工人员通过拽动牵引绳使得吊装系统连同风机塔架标准段8整体旋转，实现法兰孔初步对中，方便进行下一步安装。

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 (3)

1.一种基于桁架式风机塔架标准段整体吊装系统的吊装方法，其特征在于，吊装系统包括由三根空心矩形钢管焊接而成的三角平衡梁(1)，空心矩形钢管上表面中部均焊接有吊耳板(4)；三角平衡梁(1)下表面的三个角部位置处均垂直焊接有一圆管柱(2)，圆管柱(2)底部焊接有法兰盘(3)；三角平衡梁(1)中心位置处安装有棱镜定位系统(7)；

吊装方法包括如下过程：

步骤1：根据桁架式风机塔架结构进行吊装系统结构设计；

步骤2：结合风机塔架标准段(8)的实际重量以及有限元分析计算，确定吊装系统中三角平衡梁(1)的最优截面面积、法兰盘(3)的螺栓孔数量；

步骤3：根据步骤2中的分析结果，设计制作吊装系统；

步骤4：进行起重机械选型，并确定起重机械占位；

步骤5：在施工现场地面上散拼第一节风机塔架标准段(8)，然后将吊装系统的法兰盘(3)与第一节风机塔架标准段(8)上端的法兰通过安装螺栓对中连接，将吊装系统与起重机械连接，起钩试吊；

步骤6：试吊无误后，正式吊装第一节风机塔架标准段(8)，吊装过程中利用全站仪与棱镜定位系统(7)配合，实时进行测量定位，待第一节风机塔架标准段(8)吊装就位后，卸下吊装系统；

步骤7：重复步骤5、6，直至所有风机塔架标准段(8)吊装安装完成；

所述步骤2中，吊装系统中三角平衡梁(1)的最优截面面积计算方法如下：

首先将风机塔架标准段(8)三维设计模型导入有限元分析软件中，划分网格，赋予模型材料物理属性；然后将模型上的三处吊装点的法兰表面分别耦合至RP1、RP2、RP3三点，约束水平自由度，并将RP1、RP2、RP3三点作为吊点进行吊装模拟；

接着，提取任一吊点的水平反力F₁、垂直反力F₂，利用下式计算三角平衡梁(1)的第一截面面积A₁：

其中，l表示风机塔架标准段(8)上部法兰中心点之间的距离；S表示风机塔架标准段(8)吊装阶段，三角平衡梁(1)的空心矩形钢管允许变形量；E表示三角平衡梁(1)材料弹性模量；

接着，根据下式确定三角平衡梁(1)的第二截面面积A₂：

A₂＝2Bs+2Hs-4s²

其中，B表示三角平衡梁(1)的空心矩形钢管宽度；s表示三角平衡梁(1)的空心矩形钢管厚度；H表示三角平衡梁(1)的空心矩形钢管高度；σ表示三角平衡梁(1)跨中顶面拉应力；f_sd表示方钢材料抗拉强度标准值；

最后，计算三角平衡梁(1)的最优截面面积A_min：A_min＝max{A₁，A₂}。

2.根据权利要求1所述的吊装方法，其特征在于，所述棱镜定位系统(7)包括安装在棱镜座(701)中心的360度棱镜(700)，棱镜座(701)四周间隔均匀地固定有三根支撑架(702)，支撑架(702)另一端均焊接固定在三角平衡梁(1)上。

3.根据权利要求1所述的吊装方法，其特征在于，所述风机塔架标准段(8)吊装过程中，利用全站仪与棱镜定位系统(7)配合进行实时测量定位的具体方法如下：

选取待安装的风机塔架外任意一点作为全站仪测站点，全站仪进入坐标测量状态，选取桁架式风机塔架基座中心点为观察点，测取该点的水平XY轴坐标：X1、Y1；

用全站仪照准吊装系统中的360度棱镜(700)，全站仪进入连续测量状态，跟踪测量，持续更新测点水平XY轴坐标：X2、Y2；

全站仪蓝牙模式打开，将测点数据实时传输至起重机械操作室内的操作界面上，操作人员据此操作起重机械，使得X2、Y2数据与X1、Y1数据保持一致。