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構(gòu)皮灘升船機(jī)超重型設(shè)備吊裝方案設(shè)計(jì)

2020-10-12 06:31耿克普宋金育全志杰
水電與新能源 2020年9期
關(guān)鍵詞:螺桿鋼絲繩吊裝

耿克普,宋金育,全志杰,劉 川

(1.杭州國電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.構(gòu)皮灘水電站,貴州 遵義 550000;3.中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

構(gòu)皮灘通航建筑物工程采用梯級過壩形式,由上下游引航道、三級鋼絲繩卷揚(yáng)提升式垂直升船機(jī)和兩級中間渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物組成[1-2]。其中,第三級升船機(jī)位于構(gòu)皮灘大壩下游左側(cè)尾水處,采用承船廂入水式垂直升船機(jī)形式,入水式承船廂能夠適應(yīng)下游水位約5 m的自游變幅差,能夠在下游水位變化時(shí)完成過船任務(wù)。

第三級升船機(jī)混凝土塔柱整體高度為120 m,其設(shè)備暫存的物料中轉(zhuǎn)平臺高程為450 m,通航渠道高程為512 m,主提升設(shè)備安裝平臺高程為520.5 m(如圖1),在主提升設(shè)備安裝平臺上游設(shè)有尺寸為6.0 m×8.0 m吊物孔(如圖2),專供超重型設(shè)備由物料暫存中轉(zhuǎn)平臺借助主機(jī)房160 t橋機(jī)吊裝至主提升設(shè)備安裝平臺[3-6],由此推算出設(shè)備的垂直起吊高度接近71 m。同時(shí)結(jié)合圖1可知,450 m物料暫存中轉(zhuǎn)平臺牛腿的承重重心未在吊物孔正下方(水平偏離約為1.5 m),因此,垂直起吊高度大和起吊時(shí)有偏差的問題將會給超重型設(shè)備吊裝帶來極大的困難。

圖1 第三級垂直升船機(jī)正視圖

圖2 第三級升船機(jī)主提升安裝平臺吊物孔圖

第三級升船機(jī)主提升機(jī)設(shè)備由8套卷揚(yáng)提升機(jī)構(gòu)、2套制動安全系統(tǒng)、1套機(jī)械同步系統(tǒng)、4套干油潤滑系統(tǒng)等組成,每套卷揚(yáng)提升機(jī)構(gòu)由交流變頻電機(jī)、減速器、卷筒組、安全制動器、工作制動器等設(shè)備組成[7],其中本文超重型設(shè)備主要指8臺減速器(135 t/臺)、16件卷筒裝置(92 t/件)。通過理論力學(xué)計(jì)算可知,減速器在目前條件下起吊時(shí),由于偏差角度引起的水平力接近于30kN,如此非正常的吊裝引起的安全問題具有較大的安全隱患,所存在的安全危險(xiǎn)性是十分可怕的。并且在設(shè)備吊裝過程中還存在上下交叉作業(yè)、工作面復(fù)雜、施工場地局限性、工期緊張等特點(diǎn)。因此,本文基于上述施工特點(diǎn),在超重型設(shè)備吊裝時(shí)提出了鋼絲繩懸吊式承重平臺,滿足了安全、技術(shù)、工期等各方面的要求。

1 鋼絲繩懸吊式承重平臺方案設(shè)計(jì)

在吊裝方案討論初期,根據(jù)圖1、圖2中第三級升船機(jī)建筑物的實(shí)際情況,主要提出的方案有:①在通航渠道(512.0 m)設(shè)置200 t長臂履帶吊車,先將超重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至通航渠道后,在閘首位置處設(shè)水平滑動裝置,將設(shè)備移至圖2吊物孔下方,由主機(jī)房橋機(jī)完成吊裝;②澆筑延伸物料暫存平臺中轉(zhuǎn)平臺(450.0 m)處混凝土牛腿,延伸至圖2吊物孔下方,以滿足垂直起吊的要求,由主機(jī)房橋機(jī)完成吊裝;③在物料暫存平臺中轉(zhuǎn)平臺(450.0 m)處搭設(shè)臨時(shí)吊裝平臺,通過圖2吊物孔設(shè)置鋼絲繩懸吊該平臺,由主機(jī)房橋機(jī)完成吊裝。

在比選初期,經(jīng)充分討論,總結(jié)得出:方案①實(shí)施較為困難,吊車進(jìn)入施工現(xiàn)場工作量大且吊裝時(shí)因吊車伸臂過長具有較大安全風(fēng)險(xiǎn);方案②澆筑混凝土平臺,施工周期長,且所澆筑的平臺后期會影響承船廂的正常運(yùn)行,不符合實(shí)際情況;因此最終討論決定采用方案③鋼絲繩懸吊式承重平臺吊裝方案。鋼絲繩懸吊式承重平臺吊裝方案主要由鋼絲繩懸掛段、鋼平臺段、軌道延伸段三部分組成,主要有以下方面的優(yōu)勢:①軌道延伸段的作用是將超重型設(shè)備,由卸車地點(diǎn)水平運(yùn)送至吊物孔垂直的正下方,避免了偏差角度而引起的非正常條件下的歪拉斜吊問題。同時(shí),由于軌道由鋼結(jié)構(gòu)材料組合而成,制作簡單、施工速度快、工作效率高,后期便于拆卸;②鋼平臺段的作用是用于乘載超重型設(shè)備,同時(shí)兼做施工時(shí)人員掛裝鋼絲繩及鎖具的操作平臺;③鋼絲繩懸掛段的作用是控制鋼平臺的高程,通過調(diào)節(jié)螺桿使其能夠精確地與軌道延伸段對接,確保超重型設(shè)備能夠安全穩(wěn)定地進(jìn)入吊裝位置,減少因局部不平整而引起的受力不均勻問題;④鋼絲繩懸吊式承重平臺吊裝方案所用材料及設(shè)備均為現(xiàn)場常規(guī)材料設(shè)備,無需重新采購制作,節(jié)省資源、經(jīng)濟(jì)性高,在鋼絲繩卷揚(yáng)提升式升船機(jī)項(xiàng)目的施工現(xiàn)場均有該平臺方案中所用結(jié)構(gòu)件,施工難度不大,易于操作,可借鑒性強(qiáng)。

1.1 軌道延伸段設(shè)計(jì)

1.1.1 軌道延伸段

由于450 m混凝土平臺牛腿承重重心未在吊物孔正下方(如圖2所示),若要減少安全風(fēng)險(xiǎn)、避免造成歪拉斜吊的情況發(fā)生,必須在混凝土平臺的基礎(chǔ)上,通過設(shè)置軌道將平臺延伸1 m至吊物孔正下方。

軌道延伸段設(shè)計(jì)思路是采用方形鋼管作為底座,作用是連接混凝土和鋼平臺(即一端在混凝土平臺,另一端在鋼平臺上),底座上設(shè)置小軌道供水平小車移動。

方鋼管選型時(shí)主要考慮:①尺寸要求,即能夠滿足長度要求;②強(qiáng)度要求,即能夠滿足超重型設(shè)備施壓后不變形?;谝陨蟽牲c(diǎn)本文選擇了截面尺寸300 mm×200 mm×20 mm(高×寬×壁厚),長度6 m的方形鋼管,共計(jì)2根作為底座。因軌道延伸段設(shè)計(jì)簡單,此處不做強(qiáng)度計(jì)算。

1.1.2 水平運(yùn)輸小車

為解決超重型設(shè)備的水平移動問題,專門設(shè)計(jì)制作了水平運(yùn)輸小車,在軌道方形鋼管上設(shè)置小軌道,供運(yùn)輸小車行駛(見圖3)。小車通過卷揚(yáng)機(jī)牽引驅(qū)動,由于超重型設(shè)備移動時(shí)初始力需要很大,因此,在初始狀態(tài)時(shí)可以輔助千斤頂驅(qū)使小車前進(jìn),運(yùn)輸小車選型簡單,采用車輪滾動形式,摩擦力小,運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)由于運(yùn)輸小車結(jié)構(gòu)形式牢固、剛度大,此處不做強(qiáng)度計(jì)算。

圖3 水平運(yùn)輸小車構(gòu)造示意圖

1.2 鋼平臺段設(shè)計(jì)

鋼平臺作為整個(gè)方案的核心組成部分,在設(shè)計(jì)過程中要考慮安全性、工藝性,既要求操作簡單,又要滿足安全實(shí)用,因此其設(shè)計(jì)主要思路是盡量選用慣性矩大的組合結(jié)構(gòu)件,使其在重載作用下的應(yīng)力適當(dāng)減弱;同時(shí)考慮到設(shè)備自身重心不居中的問題,將設(shè)備重心位置處局部加強(qiáng);平臺尺寸根據(jù)超重型設(shè)備大小而定,并考慮工人操作空間等因素。

鋼平臺主要由三層構(gòu)成:①底層為4根方形鋼管均勻分布組成底座,每根方鋼管的截面尺寸為300 mm×200 mm×20 mm(高×寬×壁厚),長度4 m;②中間層由6根工字鋼組成中間平臺,每根工字鋼的截面尺寸為240 mm×200 mm×20 mm(高×寬×壁厚),長度為10 m;③頂層由6根小工字鋼(其截面尺寸為120 mm×100 mm×10 mm(高×寬×壁厚))和1塊鋼板(其截面尺寸為2 000 mm×2 000 mm×10 mm(長×寬×厚))組成,主要設(shè)置在左右區(qū)域中間位置處,主要是由于超重型設(shè)備(減速器)的重心位置位于整體幾何尺寸的偏1/4處,兩處都設(shè)置鋼板是為了考慮放置減速器時(shí)不限制其方向。

鋼平臺由上述三部分組合焊接而成,重載作用下受力狀態(tài)復(fù)雜,且作為整個(gè)方案最重要的組成部分,各部件的受力性能和安全性應(yīng)受到關(guān)切。因此,本文采用大型通用有限元數(shù)值模擬計(jì)算軟件ABAQUS作為分析工具,將鋼平臺按照1∶1建模,計(jì)算分析其在真實(shí)工況下的受力狀態(tài),有限元模型見圖4。

圖4 鋼平臺有限元模型圖

鋼平臺材質(zhì)選用Q235鋼,查相關(guān)規(guī)范可知其允許應(yīng)力值為310 MPa,受力工況假設(shè)在左右鋼板上同時(shí)加載,其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,鋼平臺的最大Mises應(yīng)力值為215 MPa,小于材料許用應(yīng)力235 MPa整個(gè)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài),最大應(yīng)力位于底層方鋼管上,其位置是處于與中間層工字鋼與其相交處,因此在焊接施工時(shí)要著重注意此處的焊接質(zhì)量,且在吊裝過程中要加強(qiáng)監(jiān)管,必要時(shí)可在此處設(shè)置加勁肋,本實(shí)例實(shí)施過程中對此處專門派人加強(qiáng)監(jiān)管,未出現(xiàn)裂紋等其他現(xiàn)象。

圖5 鋼平臺應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

鋼絲繩與平臺連接的吊耳在制作時(shí)已經(jīng)做了加強(qiáng)處理,此處不做計(jì)算。

鋼平臺下?lián)衔灰朴?jì)算結(jié)果如圖6所示,從圖6中可以看出位移最大值位于鋼平臺中部,撓度最大值為25 mm,整個(gè)平臺跨度為10 m時(shí)中部下?lián)现禐?/400,查閱(GB 50017-2017)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]附表B 1.1.1第4項(xiàng)7)平臺板的撓度容許值為1/150,并判別可知整個(gè)平臺的撓度值小于規(guī)范規(guī)定的要求,即鋼平臺滿足實(shí)用性要求。

圖6 鋼平臺位移計(jì)算結(jié)果圖

1.3 鋼絲繩懸掛段設(shè)計(jì)

1.3.1 鋼絲繩選型

在圖2中吊物孔四角布置四組型鋼組合成的水平鋼梁,將鋼絲繩穿過鋼梁懸掛而下形成懸吊鋼絲繩。鋼絲繩采用一般用途的鋼絲繩,其斷面尺寸選擇根據(jù)超重型設(shè)備及平臺重量之和并采用正常使用極限狀態(tài)來計(jì)算。

查閱文獻(xiàn)[9]可知吊物孔混凝土處梁截面尺寸為2.5 m×1.0 m屬于大型混凝土結(jié)構(gòu)件,故此處對于混凝土的受力不做考慮,因此計(jì)算時(shí)假設(shè)吊物孔混凝土剛度無限大,型鋼組合成的水平鋼梁假定剛度亦無限大(強(qiáng)度不做驗(yàn)算)。

鋼絲繩所受荷載為第1節(jié)超重型減速器重量135 t加鋼平臺重量9.46 t,鋼絲繩雙股繞過水平鋼梁垂直而下可知共有8根鋼絲繩承受重載,則根據(jù)文獻(xiàn)[9]中提到的鋼絲繩允許拉力計(jì)算公式:

式中:Fp為鋼絲繩的破斷拉力;S為鋼絲繩的安全系數(shù)(安全系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取7)。因此,通過公式可知,鋼絲繩的實(shí)際拉力乘以安全系數(shù)就是破斷拉力,代入數(shù)值可得Fp=1 264 kN。

根據(jù)《一般用途鋼絲繩》(GB/T 20118-2006)[10]規(guī)范要求,查的截面形式為6×19+IWR的鋼芯鋼絲繩破斷拉力值為1 310 kN,滿足上述計(jì)算要求。

1.3.2 調(diào)節(jié)螺桿選型

為保證鋼平臺與軌道延伸段在高程位置上的精確對接,在鋼絲繩懸掛段的尾部設(shè)置了調(diào)節(jié)螺桿裝置,其工作原理是通過自身螺母與螺柱在外力的旋轉(zhuǎn)的作用下調(diào)節(jié)長度,精確度可以達(dá)到mm級從而可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)平,確保了兩者在高程上的對接,避免了不同高差而引起鋼絲繩受力不均勻現(xiàn)象。

調(diào)節(jié)螺桿由長螺母、兩頭螺桿、鎖緊螺母組成,長螺母材質(zhì)為45號鋼、其截面尺寸為外徑φ230 mm-內(nèi)徑φ130 mm,兩頭螺桿材質(zhì)為40Cr、其截面尺寸為φ120 mm,鎖緊螺母為35號鋼、其截面尺寸為φ208 mm與螺桿配作(調(diào)節(jié)螺桿裝配圖見圖7)。此處調(diào)節(jié)螺桿為升船機(jī)平衡重側(cè)及船廂側(cè)永久構(gòu)件,其強(qiáng)度均滿足承船廂滿載33 000 kN時(shí)的要求,故此處強(qiáng)度不做計(jì)算,待該平臺發(fā)揮施工完成后,拆除該裝置后調(diào)節(jié)螺桿不會有損壞,仍可正常使用。

圖7 調(diào)節(jié)螺桿裝配圖

2 鋼絲繩懸吊式承重平臺方案實(shí)施

超重型設(shè)備在垂直起吊高度大的情況下,最主要的問題就是因非正常條件下的垂直起吊而出現(xiàn)歪了卸掉的現(xiàn)象,否則重力作用下的水平分力會導(dǎo)致主機(jī)房橋機(jī)水平制動失效,造成嚴(yán)重的安全事故。本文所提出的鋼絲繩懸吊式承重平臺方案就是解決因既有混凝土建筑條件不滿足,導(dǎo)致超重型設(shè)備無法正常起吊的問題。第1節(jié)中所述鋼絲繩懸吊式承重平臺方案由三部分組成,在具體實(shí)施過程中又可理解為水平運(yùn)輸、垂直起吊兩個(gè)系統(tǒng)。

2.1 水平運(yùn)輸系統(tǒng)布置

鋼絲繩懸吊式承重平臺水平運(yùn)輸系統(tǒng)主要由軌道延伸段(含運(yùn)輸小車)、鋼平臺段及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)成。將軌道延伸段(含運(yùn)輸小車)、鋼平臺段布置在450 m平臺上,并在適當(dāng)位置1臺卷揚(yáng)機(jī),卷揚(yáng)機(jī)的作用是通過定滑輪組實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸小車在載重狀態(tài)下的水平牽引行走,其空載狀態(tài)時(shí)可通過人工推拉方式恢復(fù)至原位(如圖8)。

圖8 水平運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖

軌道延伸段的2根方形鋼管下放設(shè)置地腳螺栓使其能夠保證自身穩(wěn)定性,其盡頭處與鋼平臺連接采用焊接形式保證整體性。

2.2 垂直起吊系統(tǒng)布置

本方案最終仍是借助主機(jī)房橋機(jī)來實(shí)現(xiàn)超重型設(shè)備的垂直起吊,因此,垂直起吊系統(tǒng)主要設(shè)備為主機(jī)房橋機(jī),鋼平臺及鋼絲繩懸掛段作輔助系統(tǒng)為超重型設(shè)備提供綁扎鋼絲繩、吊鉤的操作平臺(見圖9)。在71 m距離的垂直起吊過程中,在設(shè)備上設(shè)置輔助纜繩調(diào)整其在空中的姿態(tài),以確保正確的姿態(tài)進(jìn)入吊物孔。

圖9 垂直起吊系統(tǒng)示意圖

3 效益分析

下面從本方案的技術(shù)特點(diǎn)、工期及經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面進(jìn)行效益分析。

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

本方案是充分考慮現(xiàn)場實(shí)際情況而制定的,主要是克服場地條件局限性、垂直起吊距離大、設(shè)備重量大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等諸多困難問題。通過軌道延伸段、鋼平臺段、鋼絲繩懸掛段的三個(gè)部分組合而成的水平運(yùn)輸、垂直起吊兩個(gè)系統(tǒng),該方案設(shè)計(jì)理念簡單、實(shí)用性操作性強(qiáng),施工速度快。

本方案鋼絲繩懸掛段中設(shè)置的調(diào)節(jié)螺桿,能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)4段鋼絲繩懸掛段的伸長量長度,確保鋼平臺與軌道延伸段連接時(shí)高程一致,避免在超重型設(shè)備起吊時(shí)因鋼絲繩局部受力不均勻現(xiàn)象。

3.2 安全性分析

本方案在實(shí)施過程中涉及的水平運(yùn)輸、垂直起吊兩個(gè)過程安全性均處于受控狀態(tài)。

水平運(yùn)輸過程中運(yùn)輸小車承載力能夠滿足要求,小車的行駛由人工操作的卷揚(yáng)機(jī)牽引,行駛速度、設(shè)備姿態(tài)均有人監(jiān)控。在到達(dá)鋼平臺時(shí),通過降低小車速度外加千斤頂驅(qū)動小車行駛,確保平穩(wěn)過渡至鋼平臺段起吊位置,整個(gè)過程控制簡單,安全性可以保證。

垂直起吊由主機(jī)房160 t橋機(jī)實(shí)施,起吊過程中無偏角,設(shè)備姿態(tài)由纜繩控制,確保到達(dá)主機(jī)房底板時(shí)能夠直接進(jìn)入吊物孔。垂直起吊過程中無其他因素干擾,可控性好,安全性高。

3.3 工期分析

本方案的工期優(yōu)勢在于鋼絲繩懸吊平臺形成后,能夠快速方便地轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備,最大程度上發(fā)揮其作用,減少施工成本投入,節(jié)約工期。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種可用于超重型設(shè)備吊裝的鋼絲繩懸吊式承重平臺,從方案設(shè)計(jì)、具體實(shí)施步驟、效益分析方面論述了其技術(shù)特點(diǎn)、安全性、工期性和可操作性特點(diǎn)。工程實(shí)踐表明,該方案有效地解決了超重型設(shè)備因場地條件不滿足而引起非正常吊裝時(shí)的歪拉斜吊問題,確保安全和工期的情況下完成超重型設(shè)備的起吊任務(wù)。該平臺所涉及的主要材料及設(shè)備均為施工現(xiàn)場常規(guī)材料,施工方案簡單,易于操作,可借鑒性強(qiáng),易于推廣。

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