超大型倒锥水箱液压提升工法

倒锥壳水塔以占地面积小、贮水量大、造型美观而得到广泛应用。水塔施工的关键和难点是水箱的施工。常用的施工方式为地面预制、整体吊装。因它所需的设备数量多，工作协调要求高，施工组织难度大，使其成为施工中的难点。公司采用液压群吊提升方法施工，成功完成了3座倒锥壳水塔的施工，经过逐步总结完善，形成《超大型倒锥水箱液压提升工法》。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》利用自制圆形钢结构提升架、采用串联液压千斤顶群吊施工方法，通过合理布置油路控制系统，实现了地面预制水箱，整体吊装，解决了同步提升施工难题。

该工法提升安全，施工便捷，能较好的保证水塔的施工安全、质量和施工工期，提高施工效率。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》一般用于倒锥壳水塔水箱的吊装。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的工艺原理叙述如下：

液压缓升群吊法提升水塔水箱。水箱地面预制，水塔筒体施工完成并达到要求的强度后，在水塔顶部设置提升架，根据水箱的重量，均匀布置液压千斤顶，通过提升杆连接顶部提升装置和底部水箱，采用液压油路控制，将水塔水箱缓升到指定高度，进行固定后进行环梁和防水的施工。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的工艺流程是：

现场条件勘察准备→承力架、提升点、千斤顶、防坠器等提升设施的布置及安全受力计算→安装承力架→吊杆安装、固定防坠器→安装千斤顶及供油系统→安装电动油泵、接通油路→接通电源并关闭油泵针形阀→液压油泵试工作→千斤顶及油管路进油→试提升→千斤顶进油带动水箱上升行程结束，油泵回油，千斤顶活塞下降→防坠器固定，切断上部拉杆，千斤顶回复→往复运行提升到设计标高→调整固定，浇筑支承环梁→拆除提升设施。

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的操作要点如下：

一、现场条件的勘察准备预制准备

一般水箱较重，预制时为保证水箱的质量，避免水箱在浇筑混凝土时产生不均匀沉降，以水塔为中心，15米范围进行夯实，将水塔中心半径3~4米范围内回填200毫米厚碎石，浇筑200毫米厚C25混凝土，4~15米范围内回填200毫米厚碎石，浇筑100毫米厚C25混凝土；围绕筒身就地预制水箱，在水箱下环梁与混凝土地面之间铺两层油毡，作为分隔带在下环梁两侧用长500毫米、ф25@200的钢筋设置地锚，保证水箱下环梁的椭圆度。水箱下环梁受较大的集中荷载作用，应对吊点处的环梁截面进行抗剪验算，根据验算结果在吊点处增加抗剪钢筋。为使吊点处混凝土受力均匀，增加一块环形钢板与预埋ф48×5.5毫米钢管相焊。

1.按照吊杆平面布置尺寸，预埋n（1000立方米水塔70）根，采用ф48×5.5毫米无缝钢管，每根无缝钢管打60°坡口与水箱下环梁埋件进行焊接，并在无缝管上焊接ф12@100长300毫米的锚固筋，使无缝管与混凝土更好的形成整体（图1）。

2.水箱下环梁内侧埋设4~6组埋件，用于安装导轮，防止提升过程中水箱偏移与筒体产生摩擦。

3.水塔支筒采用滑模工艺，筒体施工完成达到设计强度后，可进行水箱安装。水箱在浇筑混凝土时预留5组混凝土试块，进行抗压试验当水箱的混凝土抗压强度达到设计强度的90%以上时，开始进行吊装，吊装前将水箱下环梁与地面接触面凿空70%左右，减小由于接触面真空而形成的大气压力。

4.水塔吊装采用顶部承力提升架放置液压千斤顶集控群升方法，利用提升吊杆进行吊装，使用防滑器进行锁固，提升时塔身四周弹出4~6条标高线，并用红漆明显标出标高尺寸，吊杆每5米用红漆作出标记，以便提升时随时观察水箱的水平度。吊装示意见图2。

二、千斤顶和吊杆数量的确定

1.总荷载的确定：Q=Q₁+Q₂

式中Q——总荷载；Q₁——水箱重量；Q₂——吊杆重量。

圣戈班高炉1000立方米安全水塔水箱重 Q₁=4000千牛，吊杆ф48×5.5毫米，总重Q₂=180千牛。

Q=Q₁+Q₂=4000+180=4180千牛。

2.千斤顶及吊杆数量的确定

1）千斤顶数量的确定：n=Q/F

式中n——千斤顶数量；Q——总载荷；F——每个千斤顶工作起重量。

采用QYD-60型千斤顶，每个千斤额定起重量为60千牛，工作起重量F=30千牛；

n=4180/30=140

每2个千斤顶串联成一组，共70组。相应吊杆数量为70根。

2）吊杆强度校核：σ=Q/A≤[σ]

式中Q——总载荷，Q=4180kN；A——吊杆的总截面积；[σ]——吊杆的许用应力。

采用ф48×5.5毫米无缝钢管作为吊杆，材质为20号钢。为保证在起吊局部失衡或个别部件在损坏更换时的起吊安全，取吊杆的安全系数K=2.5，[σ]=σ_s/K=245÷2.5=88兆帕。

σ=Q/A=4180×10³÷（70×3.1416×42.5×5.5）=81.3兆帕≤[σ]=88兆帕

强度满足要求。

三、液压系统的布置

液压系统布置图3。

总控台根据水塔提升重量选用，从总控制台给千斤顶供油，分主油路和支路控制，一般每个主油路控制的分油路为5~10路，从总控制台使用液压软管进行连接，使用电磁阀和针型阀进行控制。以1000立方米水塔为例，采用HY-56型液压控制台，给70×2=140只千斤顶供油，分5路向千斤顶供油，每路用电磁阀和3/4‘’针形阀控制油路。每路通过分油器向7根吊杆上的千斤顶供油。每根吊杆安装两台千斤顶，串联供油，在最下一台千斤顶安装3/8‘’针形阀控制油路。共设置75个吊装点，从控制台经DN25的软管到5个两通分油器，经3/4‘’软管到10个多路分油器，经3/8‘’软管到千斤顶。

千斤顶串接及油路连接方式见图4。

四、吊杆的对焊及焊口检验

每根吊杆的长度不要过长，一般长度L：

L=水塔高度+提升架高度+千斤顶高度+（0.2~0.25）米

该次1000立方米水塔吊杆焊接成42米长。

因吊杆受非对称循环变应力，接头对焊接的质量要求严格，关系到水箱提升的成败。接头用45°坡口焊，内穿ф35、L=400毫米圆钢，在距离对接处150毫米加ф16圆钢销钉并进行塞焊，用手提砂轮把焊口打平磨光。施工时吊杆对焊和安装时都要注意把焊接接头错开，对焊时采用手工焊，用J426焊条焊接。焊接及连接方式见图5。

五、水箱提升支架构造设计及安装

以该次施工的圣戈班高炉1000立方米安全水塔为例，同类的水箱吊装支架的分析及计算方法类同。

1.水箱提升支架见图6、图7。

2.提升架的受力计算

提升架主要是由下钢圈梁、斜支撑、下部和上部钢环梁组成的锥台形钢结构，下钢圈梁采用12毫米钢板，斜支撑采用24根H形250毫米×250毫米×9毫米×14毫米，钢环梁用16毫米厚的钢板焊接成180×180毫米的方管，提升架是一个锥台形钢结构，下部与焊接固定，上层钢环梁上设置70组千斤顶，下层钢环梁上设置防坠器70个。

提升架下部无筒身立柱部位，采用12根H形250毫米×250毫米×9毫米×14毫米钢支撑，支撑提升架斜支撑位置。提升架剖面图见图8，提升架受力分析见图9。

1）提升架载荷：Q=K（Q₁+Q₂+Q₃）

式中Q——总荷载；Q₁——水箱重量， Q₁=4000千牛；Q₂——吊杆重量； Q₂=180千牛；Q₃——千斤顶重量；Q₃=35千牛；K——荷载系数，取k=2。

Q=K（Q₁+Q₂+Q₃）=（4000+180+35）×2=8430千牛

每根斜支撑受力W=Q/n=8430/24=351.25千牛

2）斜支撑受力

（1）斜撑强度计算

每根斜撑强度应满足：σ=N/A_n≤f

式中N——每根斜撑受轴向力，N=W/COSα=351.25/0.9896=355千牛；A_n——每根斜撑净截面面积，A_n=9218立方毫米；f——斜撑抗压强度设计值，f=215兆帕。

σ=N/A_n=355000/9218=38.5兆帕<f=215兆帕

斜撑强度满足要求。

（2）斜撑稳定性计算

每根斜撑稳定性应满足：N/（ψA）≤f

式中N——每根斜撑受轴向力，N=355千牛；A——每根斜撑毛截面面积，A=9218立方毫米；ψ——斜撑的稳定系数，由《钢结构设计规范》GB 50017附录C查得。

斜撑长细比：λ=l/i=2021/62.9=32.1，由表c-2查得ψ=0.791

N/（ψA）=355000/（0.791×9218）=48.7兆帕<f=215兆帕

斜撑稳定性满足要求。

3）下圈梁受力计算

（1）每根斜撑对上圈梁的水平力：T=Wxtgα=351.25×0.145=50.9千牛

下圈梁的水平均布力q

q=50900×24/（3.1416×5600）=69.4牛/毫米。

（2）下圈梁的强度计算

下圈梁的强度应满足：σ=（πDq/4）/（bh）<f

式中D——下圈梁直径，D=5600毫米；b——下圈梁宽度，b=250毫米；h——下圈梁厚度，h=12毫米。

σ=（3.1416×5600×69.4/4）/（12×250）=101.7兆帕<f=215兆帕，强度满足要求。

六、提升架吊装

根据提升架的重量、提升高度及吊车利的占车位置，确定提升重量、提升高度及吊车的回转半径，根据吊车的吊装性能表确定选用的吊车。圣戈班高炉水塔提升支架总重为8.6吨，用100吨汽车吊接副杆将提升架安装到40米高的水塔筒体上，如图10。

筒身顶部提升架，斜支柱下钢板、千斤顶、吊杆加固及液压系统等组装后应对连接件焊缝进行检查，对油路整体进行试压，符合技术要求后才能正常使用。提升架的顶面水平度偏差不大于5毫米。千斤顶安装位置的偏差不大于5毫米。

七、提升方法

1.水箱提升前要认真做好各项检查清点工作，主要包括：

1）吊装机具是否齐备，并已经过必要的试验；

2）吊装设备的预组装，并确认不存在问题；

3）水箱与支筒间吊装缝合格，并清理干净；

4）水箱混凝土强度确认已达到或超过设计强度90%；

5）支筒顶部吊装环梁的平整度是否达到要求。

以上均经认真检测，确认无误后，才可开始提升设备的组装。

2.提升设备的组装

提升设备的组成包括：吊装杆、千斤顶、液压泵、分油盘、油路管等。提升设备的组装程序：千斤顶→吊装杆→油压系统。

将液压控制台溢流阀压力调整到1.5兆帕后收紧吊杆。用水平仪在每根吊杆上抄好水平标记线，在水箱栏杆上分8点抄好水平线，在水箱提到设计标高后，用水平仪检查这8个点评定水箱的水平度。在筒身外表面抄一条水平线，每隔1米向上翻一次。在水塔的南边和东边各架一台经纬仪、镜头十字对准钢提升架立柱的上端，观察水箱离地的瞬间，筒体的垂直度变化。

提升装置安装完成后水塔顶部、水塔底部如图11、图12。

3.试提升

液压倒置提升系统组装经检验合格后，正式提升前应进行试提升，对各重点部位（结合点、焊接等）进行检查。将水箱提升到离开底模10厘米，静止24小时，观察测量水箱的水平度和水塔沉降情况，如发现水箱出现倾斜偏差及时对水箱进行纠偏，调整较低处10个左右千斤顶，使水箱锥壳的水平度满足提升要求，开始组织提升。

4.水箱初升

关闭针形阀，将液压控制台溢流阀调到6兆帕。打开针形阀，向千斤顶供油，千斤顶倒拔吊杆，在油泵回油过程中吊杆回降4~5毫米，千斤顶有效行程约为15毫米左右。每个行程的时间为1分钟左右。水箱提升到离开地面25厘米暂停4小时，对钢提升架、液压系统管路及水箱下环梁、吊杆的下焊点进行全面检查。

5.水箱提升

初升检查合格后，开动液控系统（液压控制方法同初升），连续提升水箱，中间不间断观察水箱水平度及吊杆的受力情况，一旦出现受力不均及水箱水平度偏差过大时，应及时纠偏。同时每提升4米静止检查水箱的塔体与水箱间距均匀、拉杆均匀受力情况等，测算提升速度。

当水箱提升到离地面2米高度后，围绕筒身挂设钢管脚手吊篮，与水箱同时上升，水箱就位后，即可在吊篮里浇筑环板混凝土和涂刷筒身外壁的乳胶漆。

水平偏差过大纠偏方法：采取液压千斤顶单个或少数供油，比如水箱经校核发现确定东侧方向偏低几个毫米，滑升时其他千斤顶都不动而只对东侧2~4个千斤顶供油，经两次核对校正后再同步提升所有吊杆。

每天晚间停滑时，将钢楔固定在水箱下滑梁与支筒间间隙处，防止夜间大风吹动水箱，水箱与支筒发生撞击。待第二天取出钢楔继续提升。

6.钢支架安装及水箱就位

钢支架制作：钢支架应在提前预制，制作质量应符合设计和国家规范要求。水箱吊装到设计标高后进行水箱支撑钢支架的安装。

钢支架安装：先逐个将支腿与支筒顶的埋件焊牢，再安装支架连接板，支架顶板应保证在一个水平面上，支腿上端中心应在一个圆周上，（此圆周与水箱下环梁中心圆周相同）。钢支架安装时，同时把环托梁中的预制件安好，与钢支架焊牢。

水箱就位。钢支架安装完毕，即可将水箱落在钢支架上。为保证水箱的平整与稳固，就位时应用测量仪器配合，钢支架与水箱下环梁间可用铁垫板找平。

八、环托梁施工

当水箱的底标提升到40米，水箱提升完毕，安装完成钢支架后，水箱就位，进行环托梁的绑筋支模浇筑。由于圈梁混凝土入口处较小，断面复杂，浇筑难度大，同时考虑到混凝土的收缩，在混凝土掺入适量的膨胀剂，在混凝土振捣上采用人工与机械振捣相结合的方式，保证混凝土浇筑的密实性。圈梁浇筑完成并达到强度后，拆除吊杆、设备机具和支承架，提升工艺结束。

安装完成的水塔如图13。

九、操作注意事项

1.提升架应与筒体结合面结合紧密，高低不平处须用垫片垫平

2.行水箱下环梁的吊点锚紧，调整上部长度，保证水箱的水平度。

3.液压系统安装完毕后应进行试运转，先充油排气，然后加压至12兆帕，每次持压5分钟，重复3次后检查各密封处是否渗漏，待各部工作正常后接通千斤通。

4.次提升时，以水箱离支点25毫米时停止4小时，以观察此阶段是否有异常现象。

5.提升时发现千斤顶不同步应及时调整进油量控制千斤顶升差。提升过程中，须随时察看水箱的水平度，发现不平随即调平。提升结束后应检查各锚固牢靠，如有问题应及时锚紧，并用楔把水箱下环梁与筒身之间空隙楔紧，水箱上环梁用钢支撑固定。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》采用的机具设备见表1（以1000立方米水塔为例，其他型号的水塔根据选用增减）。

参考资料：^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的质量控制要求如下：

一、吊装前质量控制

1.施工人员认真按照技术交底进行水箱施工。

2.检查筒体和水箱下环梁等符合要求，尤其要检查铆固点符合要求，铆固牢固。

3.水箱直径误差不得超过1/500，厚度误差不得超过1/20。

4.钢管预埋管位置应均匀准确。

5.施工人员要进行质量方面的教育，施工中要统一指挥。

6.调整水塔水箱的水平度符合要求。

二、吊装过程的质量控制

1.正式起吊前应进行试吊，试吊应停留足够的时间对各结合部位进行检查，应无问题，满足吊装要求。

2.过程起吊应随时对起吊水箱的水平度进行检查，高低差超过10毫米，应进行调整。^[1]

采用《超大型倒锥水箱液压提升工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

一、总体要求

1.按安全管理标准组织管理，由安全工程师负责监督。

2.施工现场应划出距筒身周围20米的安全警界区，严禁非施工人员入内。场区不能满足此要求时，要做好防护措施。

3.施工时，必须制定安全操作规程，安全工程师做好安全技术交底，认真的进行安全活动，并做好记录。尤其是重点部位应按要求进行检查。各工种的施工人员，必须遵守各自的安全技术操作规程。

二、水箱施工及吊装安全技术措施

1.水箱正式提升前，应先将水箱提升至离地面0.1米处，经检查合格后，方可正式提升。

2.凡参加高空作业的人员，必须经过体检合格，凡不适应高空作业的人员严禁高空作业。

3.工作台周围设置保护围栏，内外吊梯均设安全网，保护网距支筒不大于100毫米。

4.高空作业的电源应采取36伏的低电压。如采用220伏或380伏时，线路应用绝缘电缆，并装有触电保护器。

5.施工当中遇有五级以上大风或雷、雨天气时，所有高空作业必须停止，施工人员应迅速撤至地面，并切断电源。

6.施工所用机械、电气设备、索具等要经常进行检查，严禁机械带病作业，施工人员严禁无证操作。

7.充分做好“三宝”的利用，高空作业需带安全带的必须佩戴安全带，并挂在牢固可靠的地方，施工人员进入现场必须戴好安全帽。

8.提升结束后，支承环梁未达强度前不准触动锚具。

9.提升前在塔顶用钢管搭设防护围栏，立面张设细眼安全网，安全网内彩条布封闭，以防风防雨。

10.在提升作业包括拆除提升设备时，切割的吊杆应系下，不得向外乱抛物件，以防坠物伤人，各作业人员的工具要放置稳妥。

11.水箱提升就位后要尽快进行固定，待水箱达设计标高后与水塔筒身内的预埋件固定，同时进行水箱底环托梁的施工。

12.液压及润滑油应采取措施防止泄漏，随时检查滴漏情况，随时进行油料的补充，满足安全需要。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的环保措施如下：

1.施工区域与道路间采用架子管和建设布进行隔离，现场的施工废料应及时进行清理，运载到指定的废料存放场地。

2.施工期间，应设专人监护，夜晚有警示灯标志。

3.施工工人配备工具袋，过程中需要带的小型工、机具等材料采用袋装，禁止随意放置在现场平台。

4.场内机具、材料按平面规划摆放整齐。

5.液压及润滑油应采取措施防止泄漏，随时检查滴漏情况，使用后应及时回收，禁止随意排放。

6.调试投运期间的环境保护。

7.完成施工后应及时拆除清理干净，除配合作业的人员禁止进入现场。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的效益分析是：

安全水塔的施工创经济效益100多万元。

减少高空作业，提高了效率，保证了安装的工程质量和施工安全。

充分利用机械施工，节约了人工和大型台班费用。

与传统的采用钢丝绳配合锁具的提升方法相比，具有同步提升效果好，成本低，便于操作等优点。^[1]

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的应用实例如下：

在河北前进钢铁公司580立方米高炉工程、圣戈班（徐州）管道有限公司新建高炉工程、河北前进钢铁公司2×1080立方米高炉工程安全水塔的施工中应用此方法施工，仅用了12天时间便完成了水箱的安装，质量合格、安全高效，收到良好的效果。^[1]

2009年，《超大型倒锥水箱液压提升工法》被确定为河北省省级工法。^[1]

2011年9月，中华人民共和国发布《关于公布2009-2010年度工法的通知》建质[2011]154号，《超大型倒锥水箱液压提升工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。^[2]