上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司長(zhǎng)興分公司

1 引言

大型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、空間受限、施工環(huán)境惡劣，為提高施工作業(yè)的安全性及施工效率，節(jié)約制造成本和縮短工期，常規(guī)的施工方法為：對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的模塊化劃分，依照施工進(jìn)度分別進(jìn)行各模塊制造施工，再將各模塊有序組合拼裝成鋼結(jié)構(gòu)整體。在這個(gè)過(guò)程中，各模塊通過(guò)不斷地翻身實(shí)現(xiàn)不同工況的作業(yè)，以達(dá)到改善焊接位置、控制焊接變形、提高施工質(zhì)量和施工效率的目的。

閘門(mén)結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)、縮短施工周期，在閘門(mén)施工完畢后，需對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體豎立翻身作業(yè)。本文以閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體翻身施工方案為例，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體翻身作業(yè)進(jìn)行詳細(xì)講解說(shuō)明。在閘門(mén)施工過(guò)程中，由于其結(jié)構(gòu)高度超過(guò)其寬度2倍，豎立狀態(tài)高度達(dá)16 m(含胎架高度)，在施工過(guò)程中涉及大量高空作業(yè)，增加了內(nèi)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)難度系數(shù)，容易造成傾倒事故，安全風(fēng)險(xiǎn)不可控。因此，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證確定閘門(mén)結(jié)構(gòu)實(shí)施側(cè)臥狀態(tài)施工，待施工完畢后翻身至發(fā)運(yùn)要求的豎立狀態(tài)，這個(gè)方案將施工高度降低至8 m，不僅減輕了內(nèi)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)難度，而且達(dá)到了安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)約制造成本等目標(biāo)。

2 閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和翻身吊裝要求

閘門(mén)結(jié)構(gòu)總重約450 t，在豎立狀態(tài)時(shí)高度方向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)。它的上部為桁架結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)度偏弱，中下部為箱體結(jié)構(gòu)，底部外側(cè)為薄壁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致重心偏下。構(gòu)件的寬度和長(zhǎng)度方向關(guān)于中心基本對(duì)稱，外形輪廓長(zhǎng)寬高分別為(26.5×6.5×14.5)m，運(yùn)輸要求為豎立狀態(tài)綁扎。依照擬定的方案為側(cè)臥狀態(tài)制造成型，長(zhǎng)寬高尺寸更改為(26.5×14.5×6.5)m，同時(shí)為了滿足運(yùn)輸要求，必須在制造施工完畢后將整個(gè)閘門(mén)結(jié)構(gòu)翻身至豎立狀態(tài)，并移位至岸邊等待交付運(yùn)輸。

由于閘門(mén)結(jié)構(gòu)主要作用為調(diào)節(jié)水位、通斷河流，本身不需要進(jìn)行吊裝作業(yè)，故產(chǎn)品自身并未設(shè)計(jì)吊裝吊耳，依照工藝擬定的翻身需求，需在閘門(mén)構(gòu)件合適的位置額外增加工藝吊耳，以便對(duì)其進(jìn)行整體翻身作業(yè)。在這個(gè)過(guò)程中不僅需要保證吊耳強(qiáng)度滿足吊裝要求，還需要保證閘門(mén)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足吊裝要求，同時(shí)需要合適的吊裝設(shè)備及作業(yè)人員，以確保整個(gè)吊裝過(guò)程安全可靠、技術(shù)先進(jìn)可行。

3 閘門(mén)單體整體吊裝翻身方案

依照閘門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合目前現(xiàn)有車(chē)間的制造能力、起重設(shè)備、人力資源、技術(shù)水平等各方面因素，確定總體翻身方案為：按照閘門(mén)結(jié)構(gòu)選擇側(cè)臥式方案進(jìn)行制造(即在車(chē)間內(nèi)平躺制造)，待車(chē)間內(nèi)構(gòu)件完工后，使用液壓平板車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至指定吊裝作業(yè)點(diǎn)，利用浮吊雙鉤完成吊裝作業(yè)，即由側(cè)臥狀態(tài)翻身至豎立狀態(tài)，再重新更換鋼絲繩懸掛方式，通過(guò)浮吊單鉤吊裝，使閘門(mén)整體構(gòu)件旋轉(zhuǎn)后達(dá)到運(yùn)輸時(shí)的豎立狀態(tài)。以上方案具體分為6個(gè)步驟：①雙鉤整體提升；②主鉤二下降；③拆除主鉤二吊索具；④主鉤一旋轉(zhuǎn)180°；⑤更換吊點(diǎn)并安裝主鉤二吊索具；⑥主鉤二提升至完成翻身豎立狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。閘門(mén)整體翻身完畢后可依照實(shí)際情況吊運(yùn)至指定位置進(jìn)行后續(xù)工作。

圖1 閘門(mén)整體翻身過(guò)程示意圖

考慮到閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)偏弱，閘門(mén)整體翻身方案采用非接觸式空翻的方法，將主要承受吊載點(diǎn)設(shè)置在各正交節(jié)點(diǎn)位置，確保每個(gè)吊點(diǎn)載重不超過(guò)150 t。閘門(mén)整體平吊過(guò)程中需要在上壁板外側(cè)頂部和底部各設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn)，其中頂部吊點(diǎn)作為主鉤一的工作吊點(diǎn)，除在平吊過(guò)程中需要使用，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中也要使用，故頂部4個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置150 t吊耳，底部?jī)H平吊使用設(shè)置為80 t吊耳，此8個(gè)吊點(diǎn)均設(shè)置在上壁板上并于正交節(jié)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)(見(jiàn)圖2)。閘門(mén)整體平吊抬高后，主鉤二下降至空載狀態(tài)，主鉤一承載全部載荷，閘門(mén)整體為傾斜平衡狀態(tài)，單鉤使閘門(mén)懸空旋轉(zhuǎn)180°，后主鉤二吊裝下壁板側(cè)吊點(diǎn)。但由于閘門(mén)結(jié)構(gòu)在單鉤平衡狀態(tài)下為傾斜狀態(tài)，為避免主鉤二吊點(diǎn)鋼絲繩與閘門(mén)結(jié)構(gòu)發(fā)生擠壓情況，將主鉤二吊點(diǎn)設(shè)置在下壁板內(nèi)側(cè)，輔助閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)豎立翻身作業(yè)，依照工況，該處吊耳設(shè)置為80 t。

圖2 閘門(mén)整體翻身吊點(diǎn)位置示意圖

結(jié)合現(xiàn)有的資源，擬使用1 600 t浮點(diǎn)進(jìn)行吊裝作業(yè)，使用2根800 t吊梁，單側(cè)兩吊耳使用同一根鋼絲繩與吊梁連接，每根吊梁吊裝4個(gè)吊點(diǎn)，確保各吊點(diǎn)均衡受力，避免構(gòu)件局部過(guò)載變形情況發(fā)生。吊梁上、下分別使用合適規(guī)格的鋼絲繩進(jìn)行吊裝作業(yè)，但需要保證確保浮吊吊高足夠，通過(guò)精確繪圖計(jì)算吊耳受力方向，設(shè)計(jì)吊耳時(shí)保證吊耳受力方向與鋼絲繩受力方向一致，避免吊耳承受側(cè)向載荷。

4 吊裝強(qiáng)度校核及實(shí)施

4.1 吊耳設(shè)計(jì)

依照閘門(mén)整體翻身吊裝過(guò)程及吊裝狀態(tài)要求，以滿足各工況需求為導(dǎo)向，結(jié)合公司現(xiàn)有技術(shù)水平、工藝裝備、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)情況，在閘門(mén)結(jié)構(gòu)上確定合適位置的安裝工藝吊耳，并對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)區(qū)域焊縫進(jìn)行加強(qiáng)處理，保證吊耳與閘門(mén)結(jié)構(gòu)、吊耳范圍區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)焊縫為全熔透要求。依照吊裝過(guò)程各狀態(tài)情況，確定極限狀態(tài)時(shí)各工藝吊耳吊裝載荷，其中參與翻身吊裝的4件吊耳載荷為150 t/件，參與平吊移位的4件吊耳載荷為80 t/件，并分別從焊縫強(qiáng)度、正切應(yīng)力、切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力4個(gè)方面初步計(jì)算吊耳強(qiáng)度，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確保滿足吊裝要求。

單件翻身吊耳極限載荷為150 t，由于吊耳材質(zhì)與結(jié)構(gòu)母材級(jí)別相同，焊材所用級(jí)別均比母材高一個(gè)等級(jí)，故吊耳強(qiáng)度、吊耳與閘門(mén)結(jié)構(gòu)連接焊縫強(qiáng)度校核計(jì)算按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)母材等級(jí)進(jìn)行強(qiáng)度校核[1-2]，母材許用正應(yīng)力σ=355 MPa，安全系數(shù)K1取1.3倍，使用多吊耳和吊梁組合抬吊均衡系數(shù)K2取1.5倍，依照計(jì)算結(jié)果，修改焊縫長(zhǎng)度、板厚、吊耳尺寸等參數(shù)，確保焊縫強(qiáng)度、正切應(yīng)力、切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力4個(gè)參數(shù)計(jì)算結(jié)果均滿足吊裝要求，吊耳簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 閘門(mén)整體吊裝吊耳簡(jiǎn)圖

4.2 強(qiáng)度校核

以頂部載荷為150 t的吊耳為例進(jìn)行強(qiáng)度校核說(shuō)明。

4.2.1 焊縫強(qiáng)度校核

焊縫所受拉應(yīng)力σ焊=F/A，F(xiàn)為吊耳載荷；A為焊縫截面積，取吊耳主板截面積參與計(jì)算求得：σ焊=150×9.8×103/(0.7×0.05)=42 MPa。

材料的許用應(yīng)力為：σs=σ/(K1×K2)=182 MPa>σ焊，即焊縫強(qiáng)度滿足吊裝要求。

4.2.2 吊耳正切應(yīng)力強(qiáng)度校核

σ=F/A，F(xiàn)為吊耳載荷，A為吊耳垂直于受力方向最小截面積。求得：

σ=F/A=150×9.8×103/[(250×2-154)×50+(225×2-154)×20×2]MPa=44 MPa>σs，吊耳的正應(yīng)力滿足使用要求。

4.2.3 吊耳切應(yīng)力強(qiáng)度校核

τ=F/A為吊耳載荷，A為平行于吊耳受力方向最小截面積，許用剪應(yīng)力為：τs=0.6σs=0.6×182=109.2 MPa。

τ=F/A=150×9.8×103/[50×(250-154/2)+20×(225-154/2)×2]=102 Mpa<τs,吊耳的切應(yīng)力滿足使用要求。

4.2.4 吊耳軸孔擠壓強(qiáng)度校核

σ擠=F/A，F(xiàn)為吊耳載荷，A為軸徑向截面積，許用擠壓應(yīng)力為：

σ擠s=0.42σ=149 MPa

σ擠=F/A=150×9.8×103/(154×50+154×20×2)=106 MPa<σ擠s，吊耳的擠壓應(yīng)力滿足使用需求。

通過(guò)對(duì)吊耳焊縫強(qiáng)度、正切應(yīng)力、切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力4個(gè)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算吊耳強(qiáng)度，均滿足吊裝要求。

依照同樣要求對(duì)底部80 t吊耳各項(xiàng)受力參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，其焊縫強(qiáng)度σ焊=33 Mpa、吊耳正切應(yīng)力σ=44 MPa、吊耳切應(yīng)力τ=89 MPa、吊耳軸孔擠壓強(qiáng)度σ擠s=71 MPa，計(jì)算結(jié)果均達(dá)到吊裝安全要求。吊裝過(guò)程所使用的2根800 t吊梁為正常使用工藝裝備，經(jīng)過(guò)計(jì)算滿足吊裝要求，在使用前對(duì)吊梁狀態(tài)、焊縫、相應(yīng)的吊索具情況進(jìn)行質(zhì)量檢查評(píng)估，合格后即可投入使用。

4.3 閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

閘門(mén)整體翻身吊裝吊點(diǎn)雖然設(shè)置在閘門(mén)正交節(jié)點(diǎn)位置，但各節(jié)點(diǎn)相對(duì)于每個(gè)吊點(diǎn)所承載的載荷而言相對(duì)偏弱，尤其是閘門(mén)頂部結(jié)構(gòu)為桁架式結(jié)構(gòu)，每處節(jié)點(diǎn)斷面面積僅為0.03 m2，中間桁架部分與上下壁板為角焊縫連接，不具備作為翻身主吊點(diǎn)能力，故在模塊制造過(guò)程中和閘門(mén)整體成型制造過(guò)程中，要求吊耳對(duì)應(yīng)位置區(qū)域焊縫根部進(jìn)行碳刨清根處理，保證對(duì)應(yīng)區(qū)域焊縫達(dá)到全熔透狀態(tài)，并在桁架兩側(cè)增加三角筋板，以便將吊耳所受到的載荷均勻地傳遞到整個(gè)閘門(mén)構(gòu)件上，從而保證閘門(mén)受力均衡(見(jiàn)圖4)。借助于有限元分析軟件PATRAN/NASTRAN進(jìn)行有限元建模計(jì)算，由于閘門(mén)整個(gè)翻身過(guò)程比較復(fù)雜，存在多個(gè)極限工況，故對(duì)閘門(mén)重要模塊、吊裝節(jié)點(diǎn)、加強(qiáng)筋板、主要受力點(diǎn)、頂部桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化設(shè)置，鋼材的材料密度為ρ=7 850 kg/m3，楊氏模量為Ε=2.06×105MPa，泊松比為V=0.3，重力加速度取g=9.8 m/s2，綜合安全載荷系數(shù)均取1.95(1.3×1.5)。有限元分析主要分為3大工序進(jìn)行：閘門(mén)整體平吊提升、閘門(mén)整體翻身過(guò)程(極限工況下，僅靠近頂板側(cè)4個(gè)吊耳參與吊裝)、豎立提升移位。

圖4 閘門(mén)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)示意圖

4.3.1 閘門(mén)整體平吊抬高狀態(tài)強(qiáng)度校核

通過(guò)上壁板靠近頂部4件150 t吊耳和底板4件80 t吊耳與吊索具連接，將閘門(mén)整體提升，計(jì)算結(jié)果為：閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為162 MPa，閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力為54 MPa，應(yīng)力滿足吊裝要求。

4.3.2 閘門(mén)整體翻身狀態(tài)校核

閘門(mén)整體翻身過(guò)程包含雙鉤整體提升、單鉤下降、拆鉤、單鉤旋轉(zhuǎn)、重新安裝吊索具、單鉤提升、整體移位7個(gè)工況，選取單鉤吊裝為極限工況進(jìn)行建模分析，此工況由上壁板頂部4件150 t吊耳進(jìn)行提升吊裝至平衡狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果為：閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為316 MPa，閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力為166 MPa，應(yīng)力滿足吊裝要求。從計(jì)算結(jié)果看，雖然理論上已通過(guò)，但加強(qiáng)三角板偏弱，考慮到浮吊作業(yè)、浪涌等實(shí)際情況，在閘門(mén)成型過(guò)程中對(duì)原擬定的三角板加強(qiáng)筋板進(jìn)行增厚處理，以確保吊裝安全。

4.3.3 閘門(mén)豎立狀態(tài)校核

閘門(mén)豎立整體提升吊裝過(guò)程，依靠上壁板外側(cè)頂部4件150 t吊耳和下壁板側(cè)頂部桁架4件80 t吊耳將閘門(mén)整體提升移位，計(jì)算結(jié)果為：閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為172 MPa，閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力為93.5 MPa，應(yīng)力滿足吊裝要求。

經(jīng)過(guò)分別對(duì)吊裝吊耳、閘門(mén)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果均滿足閘門(mén)單體整體吊裝要求，結(jié)合現(xiàn)有起重設(shè)備及工藝裝備，可以確保閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)能順利完成翻身作業(yè)，相對(duì)于豎立制造過(guò)程和豎立狀態(tài)內(nèi)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)，整體翻身方案能保證技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、方便快捷的要求，依照吊裝方案要求，僅增加部分吊耳及對(duì)應(yīng)區(qū)域焊縫加強(qiáng)處理，并在產(chǎn)品后續(xù)施工過(guò)程中按照要求嚴(yán)格執(zhí)行即可。

4.4 閘門(mén)單體翻身吊裝實(shí)施

通過(guò)PATRAN/NASTRAN有限元建模計(jì)算分析閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體翻身過(guò)程中各極限工況，其強(qiáng)度均能滿足吊裝需要，在板單元及閘門(mén)成型過(guò)程中，要求對(duì)吊耳相關(guān)區(qū)域焊縫進(jìn)行加強(qiáng)，并嚴(yán)格按照翻身吊裝方案對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，后期按照翻身吊裝方案進(jìn)行翻身作業(yè)(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 閘門(mén)平躺吊裝

圖6 閘門(mén)翻身完畢后狀態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

閘門(mén)整體翻身方案需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格分析論證，確認(rèn)該方案技術(shù)的可行性后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，以達(dá)到提高效率、保證質(zhì)量、節(jié)省工期、降低制造成本、控制風(fēng)險(xiǎn)的目的。本文以閘門(mén)單體翻身制造方案為例說(shuō)明整個(gè)方案策劃過(guò)程，總結(jié)項(xiàng)目施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)項(xiàng)目制作提供參考依據(jù)。