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【摘 要】轻型龙门架作为工程吊装中经常使用的杆系结构，结构校核对其使用安全性至关重要。此文基于吊装用轻型门架，分别采用了公式法、杆系结构力学平面校核法、有限元校核法，對其主体结构进行了计算，校核并优化设计了门架结构，并分析了各种方法的优缺点，旨在为此类结构的设计及优化提供更有效的解决途径。
【关键词】轻型龙门架；杆系结构；校核
1.引言
深基坑作业中，起土吊渣工作是其施工的一个重要工序，是工程进度和安全方面的一个重要节点。通常可以采用吊车起土、龙门吊起土。
某河管道泥水平衡顶管工程，两岸基坑深度达到22m，且岩层结构复杂，作业面狭窄，须采用钻爆法开挖。
因爆破后的弃土转运工作量较大，同时基于安全考虑，采用小挖机进行挖运。小挖机总重5.3吨左右，右岸工作井吊车可抵达井口，因此采用吊车吊运小挖机。左岸接收井由于无路可抵达井口，施工机具及材料均采用临时浮船转运，因此无法采用吊车进行吊装作业，须制作吊装装置吊装小挖机。
井口挖机吊升装置拟采用轻型龙门架。挖机下井流程是，挖机开上活动盖板，卷扬机拖动平板到进口上方，采用龙门架吊起挖机，然后用卷扬机拉动平板退出，最后缓慢放下挖机。
图一、滑行平板龙门吊示意图及现场制作图
因为接收井为防止井边山壁泥石滑落进井内，在井口四周（8m×6m）范围内浇筑1m高的挡土挡水墙，因此活动盖板不易安放。
基于此情况，在接收井现场制作翻转式平板配合轻型龙门架，解决了挖机上下井的吊装问题。装置为一轻型龙门架杆加一辅助门架，主要完成小挖机吊装、渣土起运等工作。
图二、翻转平板龙门吊示意图
2.校核
2.1公式校核法
龙门架主肢为φ159×6无缝管，高6m，横梁采用32a号工字钢，在横梁与立柱连接支点附近增加16号工字钢斜撑，增加横梁的抗弯与抗剪能力。为了增加横梁的稳定性，在重物吊装截面焊接筋板。传统校核法把门架横梁视作静定不变系统进行计算，斜撑作为安全储备，未进入整个系统计算。
2.1.1龙门架横梁验算
最大吊重，小挖机重约5.3T，加上吊具等以后约5.5T，横梁自重0.316T考虑载荷的冲击系数
集中载荷：q1=1.2×55KN=66KN
均布载荷：Q=1.2×0.5269KN.M=0.6323KN.M
2.1.1.1支座反力
可根据支点弯矩为零的式子，与两支座合力等于集中力与均布力之和联立解方程即可求出两支座力。但根据横梁结构及受力特性分析可知，两支座的受力一定相等，因此支座反力应为集中载荷与均布载荷之和的一半，即V=（66+0.6323×6）/2=34.90KN。
2.1.1.2弯矩
跨中为最大弯矩产生处：
M中=33×3+1/2×0.6323×32=101.85KN.m
图三、弯矩图
弯曲应力校核
校核合格
图四、剪力图
通过剪力图我们可知，横梁的最大剪力发生在支点处。
剪应力校核
V——支座反力
S——面积矩
IX惯性矩
tw腹板厚度
校核合格
2.1.1.3刚度校核
由于本龙门架为临时设施，对结构刚度计算略。
2.1.2龙门架立柱校核
2.1.2.1强度校核
单根桅杆所受吊物产生的轴力为：
单根桅杆所受横梁产生的轴力为：
单根桅杆所受自重产生的轴力为：
因此单根桅杆所受轴力为：
校核合格
2.1.2.2稳定性校核
由于，因此应进行整体稳定性验算。
截面积为2883.98mm2，惯性矩为I=8451900mm4，抗弯模量为W=106313mm3，惯性半径为
对于人字形立柱，μ取为1，因此长细比为
，根据长细比查的折减系数为0.55
校核合格
轻型门架钢丝绳拉力校核、局部剪切校核略。
2.2杆系结构力学平面校核法
采用杆系结构力学平面校核法计算，可以把超静定产生因素考虑进去，可以分析平面内的结构应力状况，龙门架的立柱则简化为平面内的杆系结构。通过杆系结构力学分析可知，此结构是有多余约束的几何不变体系。
图五、弯矩图及剪力图
图六、轴力图
通过计算可以得出门架平面简化结构的弯矩、轴力、剪力，从而采用公式法的计算公式计算出结构是否稳定。
通过把斜撑加入到整个系统进行计算，可以看出，横梁的弯矩及横梁与支撑柱连接部位的剪力值比斜撑未引入计算的值要小，因此横梁的安全储备得到提高，可以对横梁的材料进行优化，同时应对斜撑的抗压及抗弯进行计算。
2.2.1横梁校核
横梁拟采用25a工字钢，对其弯曲应力、剪切应力进行校核。
因此校核合格
2.2.2斜撑校核
斜撑属于压弯组合件，因此应对其进行压弯组合稳定性校核。
截面积为2611mm2，惯性矩为I=11270000mm4，抗弯模量为W=140875mm3，惯性半径为
对于此处斜撑，μ取为1，因此长细比为
，根据长细比查的折减系数为0.93。
校核合格
2.2.3立柱稳定性校核
校核合格
2.3三维有限元校核法
图十、位移
图十一、工字钢与钢管结构最大等效应力
通过有限元分析的位移值与空间杆系结构力学校核法计算出的位移值相接近。
通过工字钢与钢管结构各自的最大等效应力值可以直接得出各关键部位的等效应力值，与杆系结构力学空间校核法计算出等效值相比较。（详见表一）
3.总结
基于五步河穿越两岸工作井轻型门架的主结构校核，通过四种不同方式的计算，可知此轻型门架的结构是安全的，结构材料的选取也较合理。同时，可以看出，传统公式校核法对结构计算相对偏于保守，结构选定储备量较大；杆系结构力学平面校核法可以较方便的计算结构相对复杂，特别是对于超静定结构等公式计算法计算量较大的校核；有限元计算校核法可以建立较真实的结构模型，对结构各部位的计算更易接近真实情况，对结构受力情况的组合更符合实际，对结构各部位的应力应变情况的掌握也更容易。（详见表二）
参考文献：
[1] 文国治.结构力学.重庆：重庆大学，2009 .
[2] 陆明万.工程弹性力学与有限元法.北京：清华大学出版社，2005 .
[3] 钟万勰.计算杆系结构力学.北京：水利电力出版社，1982.
作者简介：
曾传胜（1978年-）男，毕业于石油大学（华东）机械设计专业，工程师，主要从事于天然气管道建设。
【关键词】轻型龙门架；杆系结构；校核
1.引言
深基坑作业中，起土吊渣工作是其施工的一个重要工序，是工程进度和安全方面的一个重要节点。通常可以采用吊车起土、龙门吊起土。
某河管道泥水平衡顶管工程，两岸基坑深度达到22m，且岩层结构复杂，作业面狭窄，须采用钻爆法开挖。
因爆破后的弃土转运工作量较大，同时基于安全考虑，采用小挖机进行挖运。小挖机总重5.3吨左右，右岸工作井吊车可抵达井口，因此采用吊车吊运小挖机。左岸接收井由于无路可抵达井口，施工机具及材料均采用临时浮船转运，因此无法采用吊车进行吊装作业，须制作吊装装置吊装小挖机。
井口挖机吊升装置拟采用轻型龙门架。挖机下井流程是，挖机开上活动盖板，卷扬机拖动平板到进口上方，采用龙门架吊起挖机，然后用卷扬机拉动平板退出，最后缓慢放下挖机。
图一、滑行平板龙门吊示意图及现场制作图
因为接收井为防止井边山壁泥石滑落进井内，在井口四周（8m×6m）范围内浇筑1m高的挡土挡水墙，因此活动盖板不易安放。
基于此情况，在接收井现场制作翻转式平板配合轻型龙门架，解决了挖机上下井的吊装问题。装置为一轻型龙门架杆加一辅助门架，主要完成小挖机吊装、渣土起运等工作。
图二、翻转平板龙门吊示意图
2.校核
2.1公式校核法
龙门架主肢为φ159×6无缝管，高6m，横梁采用32a号工字钢，在横梁与立柱连接支点附近增加16号工字钢斜撑，增加横梁的抗弯与抗剪能力。为了增加横梁的稳定性，在重物吊装截面焊接筋板。传统校核法把门架横梁视作静定不变系统进行计算，斜撑作为安全储备，未进入整个系统计算。
2.1.1龙门架横梁验算
最大吊重，小挖机重约5.3T，加上吊具等以后约5.5T，横梁自重0.316T考虑载荷的冲击系数
集中载荷：q1=1.2×55KN=66KN
均布载荷：Q=1.2×0.5269KN.M=0.6323KN.M
2.1.1.1支座反力
可根据支点弯矩为零的式子，与两支座合力等于集中力与均布力之和联立解方程即可求出两支座力。但根据横梁结构及受力特性分析可知，两支座的受力一定相等，因此支座反力应为集中载荷与均布载荷之和的一半，即V=（66+0.6323×6）/2=34.90KN。
2.1.1.2弯矩
跨中为最大弯矩产生处：
M中=33×3+1/2×0.6323×32=101.85KN.m
图三、弯矩图
弯曲应力校核
校核合格
图四、剪力图
通过剪力图我们可知，横梁的最大剪力发生在支点处。
剪应力校核
V——支座反力
S——面积矩
IX惯性矩
tw腹板厚度
校核合格
2.1.1.3刚度校核
由于本龙门架为临时设施，对结构刚度计算略。
2.1.2龙门架立柱校核
2.1.2.1强度校核
单根桅杆所受吊物产生的轴力为：
单根桅杆所受横梁产生的轴力为：
单根桅杆所受自重产生的轴力为：
因此单根桅杆所受轴力为：
校核合格
2.1.2.2稳定性校核
由于，因此应进行整体稳定性验算。
截面积为2883.98mm2，惯性矩为I=8451900mm4，抗弯模量为W=106313mm3，惯性半径为
对于人字形立柱，μ取为1，因此长细比为
，根据长细比查的折减系数为0.55
校核合格
轻型门架钢丝绳拉力校核、局部剪切校核略。
2.2杆系结构力学平面校核法
采用杆系结构力学平面校核法计算，可以把超静定产生因素考虑进去，可以分析平面内的结构应力状况，龙门架的立柱则简化为平面内的杆系结构。通过杆系结构力学分析可知，此结构是有多余约束的几何不变体系。
图五、弯矩图及剪力图
图六、轴力图
通过计算可以得出门架平面简化结构的弯矩、轴力、剪力，从而采用公式法的计算公式计算出结构是否稳定。
通过把斜撑加入到整个系统进行计算，可以看出，横梁的弯矩及横梁与支撑柱连接部位的剪力值比斜撑未引入计算的值要小，因此横梁的安全储备得到提高，可以对横梁的材料进行优化，同时应对斜撑的抗压及抗弯进行计算。
2.2.1横梁校核
横梁拟采用25a工字钢，对其弯曲应力、剪切应力进行校核。
因此校核合格
2.2.2斜撑校核
斜撑属于压弯组合件，因此应对其进行压弯组合稳定性校核。
截面积为2611mm2，惯性矩为I=11270000mm4，抗弯模量为W=140875mm3，惯性半径为
对于此处斜撑，μ取为1，因此长细比为
，根据长细比查的折减系数为0.93。
校核合格
2.2.3立柱稳定性校核
校核合格
2.3三维有限元校核法
图十、位移
图十一、工字钢与钢管结构最大等效应力
通过有限元分析的位移值与空间杆系结构力学校核法计算出的位移值相接近。
通过工字钢与钢管结构各自的最大等效应力值可以直接得出各关键部位的等效应力值，与杆系结构力学空间校核法计算出等效值相比较。（详见表一）
3.总结
基于五步河穿越两岸工作井轻型门架的主结构校核，通过四种不同方式的计算，可知此轻型门架的结构是安全的，结构材料的选取也较合理。同时，可以看出，传统公式校核法对结构计算相对偏于保守，结构选定储备量较大；杆系结构力学平面校核法可以较方便的计算结构相对复杂，特别是对于超静定结构等公式计算法计算量较大的校核；有限元计算校核法可以建立较真实的结构模型，对结构各部位的计算更易接近真实情况，对结构受力情况的组合更符合实际，对结构各部位的应力应变情况的掌握也更容易。（详见表二）
参考文献：
[1] 文国治.结构力学.重庆：重庆大学，2009 .
[2] 陆明万.工程弹性力学与有限元法.北京：清华大学出版社，2005 .
[3] 钟万勰.计算杆系结构力学.北京：水利电力出版社，1982.
作者简介：
曾传胜（1978年-）男，毕业于石油大学（华东）机械设计专业，工程师，主要从事于天然气管道建设。