【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，包括抱桿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】 The upside-down method has been widely applied in the construction of vertical cylindrical storage tank. The article takes on-site construction of a vertical storage tank in a wastewater treatment project as an example. The design of holding pole lifting system of the storage tank was optimized， including the type selection of holding pole， chain block ， the structure of lifting lugs etc.， By setting up a mechanic model， the strength and the stability of the lifting system was analyzed and validated. Under the premise of ensuring safety， the new system can improve the working efficiency， ensure the project quality and lower construction？costs.
【关键词】抱杆；倒装法；圆筒形储罐
【Keywords】holding pole； upside-down method； cylindrical tank
【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10000m3的中小型储罐，采用倒装法具有无须搭设脚手架、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。
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]
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。
3.2 外抱杆设计（见图1）
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。
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===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。
①Φ159×6钢管截面积：A==2884mm2。
②惯性矩：I==8454042mm4。
③抗弯截面模数：W==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
Fh=FV×tanα=60000×tan（2.2°）=2300N
N1=N2===30670.1N
T1=T2=tan（）=tan（12°）=141140N
T1、T2大小相等方向相反，其作用相互抵消，計算中可忽略。
⑧单根圆钢管弯矩：M=MV+Mh=× e+×L
=*0.25+*5.9=14285N·m
⑨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=157 MPa，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=，其中，L为钢管长度，两端铰支取系数u=1。
i==54mm，λ=uL/i=109.2
σ=30670.1/2884+10892.5×1000/106340≈113.065MPa
σcr=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。
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===100000N。
通过计算，22个10T电动葫芦刚好满足受力要求，设22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：Az==4015mm2；
②惯性矩：Iz==22787381mm4；
③抗弯截面模数：Wz==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=100000N Fh=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·m
MA=Fh*L/2=2270×3800/2×10-3=4313N·m；
11单根钢管的强度校核：
σZ==×103=20.73MPa
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。
12立柱的稳定性校核：a截面的惯性半径i===75.34mm；b细长比（式中：一端固定杆取μ=2）λ===100.86；c立柱中间部位应力为σZAm==×103=10.36MPa。
因λ2（λ2=61）≤λ≤λ1（λ1=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：
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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