托管架前部運輸機整體吊裝方法

張文耀，張少雄

(1.交通運輸部廣州打撈局 海洋工程處，廣州 510260；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

托管架前部運輸機整體吊裝方法

張文耀1，張少雄2

(1.交通運輸部廣州打撈局 海洋工程處，廣州 510260；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

摘要：針對需要在空中完成傾斜7°的特定用途大型結構物吊裝作業，通過設計合理的索具形式，選取合適的浮吊船，制定可行的吊裝方案；著重考慮傾斜前后2種工況，對吊點及主鉤載荷進行計算和分析評估，確定吊裝方案是安全可靠的。

關鍵詞：重件吊裝；浮吊船；安全系數；索具布置

隨著海洋裝備制造業快速發展，海上結構物逐漸趨向大型化。在海洋工程施工中，越來越多的使用大噸位浮吊船對海上結構物進行整體吊裝。考慮海上風浪環境因素的影響，海上大型結構物吊裝通常按照GL Noble Denton的相關規范[1]，考慮足夠的安全系數，這樣對浮吊船起重能力、索具布置形式提出了較高的要求。

對于被吊物需要在空中完成傾斜或翻轉的吊裝作業，以往多采用多臺起重機進行聯合起吊作業。但是，通過采取合理的索具布置，可實現單艘浮吊船對大型結構物進行空中翻轉作業。本文以某大型模塊海上吊裝工程為實例，介紹吊裝方案的選取，并分析吊裝過程中的受力情況，對整個吊裝體系進行評估，確保吊裝施工的安全。

1工程概況

托管架前部運輸機(stinger transition frame，STF)為國外某大型起重鋪管船的分段模塊。該分段模塊在國內船廠陸地碼頭建造，需要整體吊裝至駁船，并由駁船運輸至母船安裝。

該鋼結構分段重量約1 583 t，長×寬×高為67 m×42 m×22 m。分段在陸地胎架上水平建造，結構物重心距離地面12.5 m，需尾傾7°后方能放置于運輸駁船。施工中使用3 200 t浮吊船將模塊整體吊裝至運輸駁船。STF在陸地胎架上建造示意見圖1，STF吊裝至運輸駁船最終位置示意見圖2。

圖1　STF 陸地胎架建造示意

圖2　STF吊裝至運輸駁船最終位置示意

2吊裝難點

2.1浮吊船選取

STF為海洋工程船因特定用途而制作的分段模塊，結構特殊，外形細長，內部為中空結構。船體外殼鋼板厚度僅10 mm，船體骨材較小，未設置橫艙壁，而分段內部舾裝件較多，使得分段自身重量較大。

分段整體吊裝對其結構強度有較高要求。為盡可能地減少STF吊裝過程中的變形，在其頂部甲板40 m×12 m矩形范圍內布置共16個吊點，其中左右兩舷各8個吊點，STF吊點布置見圖3。

本次吊點布置數量較多，縱向跨度較大，使得吊裝難度增大。同時，STF艏艉、左右均為非對稱結構，重心并未在幾何中心，偏向于左舷、船尾。

圖3　STF吊點布置(單位：m)

對于浮吊船的選取，若選用單鉤或多鉤單扒桿浮吊船，因STF艏艉吊點跨度較大，需要制作大型專用吊梁，這樣吊裝費用將大幅增加，并延誤施工工期。若選用雙鉤或多鉤雙扒桿浮吊船，因STF重心偏于左舷及船艉，需要校核其單鉤的起吊能力是否滿足要求。另外，對于被吊物需要進行空中傾斜的吊裝作業，雙扒桿浮吊船扒桿間距離與STF艏艉中心吊點間距的匹配程度也成為本次吊裝的考慮因素。

同時，STF陸地建造位置距離碼頭為37 m，所選用浮吊船需要核算其跨距是否滿足本次吊裝作業。同時考慮港口碼頭吊裝由于風、浪、流等不確定因素影響而附加的動載荷因數，且被吊物自身重量較大，因此需要選用起吊能力大于被吊物自身重量的大噸位浮吊船。

如上所述，對于本次STF吊裝作業，由于諸多限制，浮吊船的可供選擇范圍大幅縮小。考慮本著就近原則，避免高額的調遣費用，但周邊地區該類型浮吊船作業窗口緊張，使得選擇合適的浮吊船并按期完成本次吊裝作業難度增大。

2.2空中傾斜7°

STF在陸地水平建造，由于首部向下延伸出兩條支撐腿，STF水平起吊后，需要在空中完成7°的傾斜后方能平穩放置于運輸駁船。對于重大型結構物吊裝，在空中完成指定旋轉動作，需要對浮吊船自身吊重能力、吊點結構形式、索具布置形式等多方面進行嚴格的考核。同時，對起重機操作人員的操控能力也提出較高要求。

3吊裝方案

3.1主要設計思路

根據STF自身重量，在考慮安全系數后，初步選定具備足夠起重能力的浮吊船。考察STF吊點布置，即吊點數量、吊點間距，以及浮吊船的吊鉤間距以確定索具布置形式。根據索具的布置形式，計算出每條索具的受力值，從而確定需要選取的索具規格。由于STF起吊后需要在空中進行傾斜，索具的布置應確保STF可完成指定的動作，同時相應的安全系數將增加。這幾者之間為相輔相承的關系，其中一項的變動往往引起吊裝系統全局的變動。因此浮吊船的選取，安全系數的選取，索具以及索具布置形式均需要反復修改驗證，進而確定最終方案。

3.2吊裝方案制定

對于本次吊裝方案的選取，重點考慮STF起吊后能于空中順利完成指定的傾斜動作。相較于以往大型重件吊裝，被吊物在起吊后直至安裝過程中姿態維持不變，本次吊裝屬于較為特殊情況，因此對于索具的布置形式提出了嚴峻的考驗。

本次吊裝中共采用12個350 t雙輪平衡滑車將吊點與主鉤間的鋼絲繩上下走通，使各鋼絲繩受力均勻，并確保STF起吊后在空中順利完成傾斜。每個主鉤下布置3個350 t平衡滑車，吊點之間兩兩走通，滑輪與滑輪之間互相走通。索具的布置形式見圖4。

圖4　索具布置形式

4安全系數

對于海上起吊作業，參照GL Noble Denton Guidelines for Marine Lifting Operations, Rev.10, 22 Jun 13(以下簡稱《規范》)選取相應的安全系數。

4.1重量風險系數

在海洋工程施工中，重量控制等級分為A、B、C三類。A類結構物需要對主要組件進行詳細的物理稱重確定其重量、重心。B類及C類結構物主要組件可根據構件的尺寸計算或者使用計算機軟件估算其重量、重心。

依據規范，對于A類結構物吊裝，最小重量風險系數應取1.03，對于B類及C類結構物吊裝，其對應的最小風險系數應取1.1。

由于STF重量依據其構件尺寸計算所得，未進行物理稱重，因此，本次吊裝重量風險系數取1.1。

4.2重心非精確系數

STF重心位置可依據STF各構件的尺寸及位置估算得出。STF重心位置并未在結構物的幾何中心，且本次吊裝過程中，STF需要傾斜7°，造成吊點在不同的高度上。

依據規范，對于吊點位于不同水平面上的情形，吊裝重量應當考慮重心包絡線。若采用重心包絡線，則應增加附加系數1.03來考慮重心位置的最終偏差。如果不采用重心包絡線，則須把重心非精確系數1.1用于重量計算。

本次吊裝重心非精確系數取1.1。

4.3動力放大系數

依據規范，對于單臺起重機在空氣中的起吊作業而言，動力放大系數(DAF)見表1。

表1　空氣中的動力放大系數

本次吊裝重量在1 000～2 500 t之間，采用單浮吊船吊裝，且為近岸浮式、移動作業，因此本次吊裝動力放大系數取1.05。

4.4不匹配荷載系數

不匹配載荷系數(SKL)是一種載荷分配系數，依據吊索長度制造公差、索具布置和幾何形態、起吊點的裝配公差及吊索伸長率，對于非100%完全靜定的所有索具布置和起吊物都應考慮。

依據規范，如果吊索長度誤差并不會明顯影響到載荷空間方位角或起吊系統的幾何形態的話，對于靜定起吊作業，SKL系數可為1.0。根據STF的索具布置可知，每條吊索均通過滑輪走通，即吊索通過滑輪的轉動達到受力均衡，整個吊裝系統組成為靜定體系，吊索的長度誤差并不會明顯影響到吊索系統的幾何形態。

由于STF吊裝為4鉤起吊作業，根據《規范》，對于多鉤起吊作業，若吊鉤高度為分別給予控制，而且對吊索長度公差、索具的布置和起重作業程序進行綜合評估后，可以取較低的SKL系數。

因執行本次起重作業的浮吊船為4鉤獨立控制，而且起重作業嚴格按照規定程序施工，本次吊裝索具長度公差在許用范圍內，索具布置合理，因此本次吊裝SKL系數取1.0。

4.5雙鉤起吊系數

根據《規范》，對于多鉤起吊作業，且起吊作業在固定起重臂(非回轉)作業形式下時，每一吊鉤的單一總重量須乘以下述系數，以顧及因起重機吊鉤高度公差所增加的載荷。

重心偏移系數=1.015。

傾角系數=1.015。

艏搖系數=1.0。

本次吊裝符合上述情形，雙鉤起吊系數選取上述值。

綜上所述，對于本次STF吊裝，所選取安全系數見表2。

表2　安全系數(Safety Factors)

由表2所述，本次吊裝最終安全系數=1.1×1.1×1.05×1.0×1.015×1.0×1.015=1.31。因此在計及各安全系數情況下，本次吊裝總重量計算如下。

吊裝總重量=(1 583+76)×1.31=2 173 t，其中索具重量76 t。

5吊裝分析

5.1吊裝工況

本次吊裝分析主要考慮2種吊裝工況，即水平起吊狀態和傾斜7°狀態。

STF由水平狀態旋轉至傾斜7°后，吊索具的形態產生變化，相應索具受力會發生改變，各吊點的受力也隨著變化。STF在傾斜過程中，浮吊船各主鉤載荷將隨著STF的旋轉而逐漸改變，處于上升狀態的主鉤的載荷將逐漸上升，而相對處于下降狀態的主鉤的載荷逐漸下降，直至STF轉動至最終狀態，浮吊船各主鉤載荷穩定下來。因此本次吊裝著重考慮STF旋轉初始及結束2種狀態下各吊點、各主鉤的受力狀況。

STF結構物的重心并未在幾何中心，浮吊船各個主鉤的受力在單一工況下并不相同，同時STF非走通吊點間的受力也會不同。選取上述2種工況分別進行載荷計算，并對2種工況下STF吊點和浮吊船主鉤載荷進行評估。

5.2載荷分析

STF在水平及傾斜7° 2種情況下，依據重心的相對位置、鋼絲繩與水平面間的夾角，根據力的平衡方程計算出各吊點及主鉤的載荷[2]。2種狀況下各吊點處鋼絲繩與水平面的夾角見圖5。

在計及各安全系數情況下，計算出各吊點的受力值，具體見圖6。

由圖6可見，2種工況下，吊點受力最大為1 717 kN，受力較大的吊點位于船體左舷。STF的吊點設計額定載荷為2 000 kN，上述各吊點受力值均在允許范圍內。根據吊點受力情況可合理布置卸扣，在相應4個吊點(編號為3、4、5、6)布置175 t卸扣，而其余吊點布置150 t卸扣[3]。

圖5　鋼絲繩夾角

圖6　2 STF各吊點受力

在計及各安全系數情況下，浮吊船各主鉤受力見圖7。

圖7　浮吊船各主鉤受力

本次吊裝使用的浮吊船在指定的跨距下每個主鉤額定吊力為6 700 kN。由圖7可知，在計及各安全系數情況下，各主鉤吊力仍有部分富裕，浮吊船在設計的安全作業工況下施工[4]。因此本次吊裝方案設計是安全可行的。

STF吊裝現場見圖8。

圖8　現場吊裝

在實際施工中，起重作業嚴格按照施工方案實施，浮吊船各動作指令均由經驗豐富的指揮人員發出，并嚴格執行，安排專人監督。現場吊裝過程中，各主鉤吊重較上述計算值偏小，整個吊裝系統偏于安全。

6結論

STF整體吊裝的索具布置通過使用雙輪平衡滑車將吊鉤下的各鋼絲繩走通，使得每個吊鉤下索具形成獨立的力平衡體系，這樣整個吊裝系統受索具長度公差及吊點高度差的影響較小，這種索具布置形式適合多吊點結構物的吊裝；同時，這種索具布置形式也解決了結構物需在空中旋轉的難題。STF吊裝計算中關于安全系數的選取可為海上大型吊裝工程的安全施工提供有力的技術支持。在實際施工中，STF的索具布置操作簡易，施工效率高，節省了工期，減少了吊裝成本。STF經濟、高效、安全可行的吊裝方案，可為今后類似的大型吊裝提供借鑒。

參考文獻

[1] GL Noble Denton Guidelines for Marine Lifting Operations[S], Rev.10, 22 Jun 13.

[2] 哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].6版.北京：高等教育出版社，2002

[3] 第一航務工程局．港口工程施工手冊[M]．北京:人民交通出版社，2014.

[4] 張少雄，任思楊.起重船有限元直接計算實例[J].船海工程，2009,38(4)：5-8

On the Integral Lifting Method for Stinger Transition Frame

ZHANG Wen-yao1, ZHANG Shao-xiong2

(1 Guangzhou Salvage Bureau of the Ministry of Communications, Guangzhou 510260, China;2 School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:For the installation of large structure of specific use, which should be inclined by 7 degrees, a feasible lifting proposal is performed by deploying a reasonable rigging arrangement, selecting an applicable floating crane. The loads acting upon lifting points and main hooks are calculated and analyzed in details during two situations before and after inclined, so as to ensure the safety of the lifting.

Key words:heavy lift; floating crane; safety factors; rigging arrangement

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.023

收稿日期：2016-01-06

第一作者簡介：張文耀(1985—)，男，碩士，工程師 E-mail:zwy0401@sina.com

中圖分類號：U671.99

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0099-05

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶與海洋工程