船舶分段吊裝翻身設(shè)計(jì)方法

胡俊祥，韓中成，卞 宇，袁俊磊，呂志云

（青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司，山東青島 266530）

0 引言

目前船舶的建造均采用分段建造工藝，船舶分段劃分盡量滿足殼、舾、涂一體化，同時(shí)滿足吊裝、翻身及船臺(tái)搭載。船舶建造方案策劃往往取決于吊裝翻身設(shè)計(jì)的制定。其他所有生產(chǎn)計(jì)劃都是圍繞船體分段吊裝搭載計(jì)劃展開的[1]，所以吊裝翻身方案的設(shè)計(jì)直接決定了船舶的建造周期，分段的吊裝翻身設(shè)計(jì)受限于船廠的吊裝能力、場(chǎng)地計(jì)劃和設(shè)計(jì)人員素質(zhì)。想充分發(fā)揮出船廠的建造能力，需要有優(yōu)秀的吊裝設(shè)計(jì)人員，船舶的設(shè)計(jì)人員一般更新?lián)Q代快，而對(duì)吊裝設(shè)計(jì)人員素質(zhì)要求高，即要會(huì)技術(shù)，又要有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，并且吊裝翻身設(shè)計(jì)要求一次成功，一旦出現(xiàn)問題，后果嚴(yán)重。目前各規(guī)范僅對(duì)吊裝、翻身的設(shè)計(jì)提了安全要求，而并未給出明確指導(dǎo)。基于以上，為了獲得高效靈活的設(shè)計(jì)吊裝翻身方案，從流程、步驟、結(jié)合工程實(shí)際案例進(jìn)行解析方案的設(shè)計(jì)，最后量化吊裝翻身設(shè)計(jì)檢查項(xiàng)，避免吊裝翻身設(shè)計(jì)的缺陷。

1 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 吊裝翻身方式

2.1 翻身方式

按分段結(jié)構(gòu)分：分片翻身、半立體分段翻身、立體分段翻身。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

按翻身類型分：著地翻身、空中翻身。

分段一般采用空中翻身，如果空中翻身過程中鋼絲繩與分段結(jié)構(gòu)干涉，則考慮著地翻身。著地翻身一般會(huì)產(chǎn)生沖擊，設(shè)計(jì)方案時(shí)需避免產(chǎn)生沖擊[2]。

2.2 吊裝方式

吊裝方式一般分3種：?jiǎn)毋^吊裝、雙鉤吊裝、三鉤吊裝。

單鉤吊裝多數(shù)適用于結(jié)構(gòu)對(duì)稱構(gòu)件，主要應(yīng)用于車間小分段吊裝，及外場(chǎng)履帶吊吊裝合攏分段。

雙鉤吊裝一般適用于重量及面積較大分段、不對(duì)稱分段，主要應(yīng)用于車間內(nèi)采用2個(gè)行車抬吊的分段，也可在外場(chǎng)雙鉤吊裝合攏分段。

三鉤吊裝一般指龍門吊進(jìn)行分段吊裝合攏。也可指外場(chǎng)其他吊車進(jìn)行抬吊分段，要求勾頭數(shù)量≤3（解釋見第5節(jié)吊裝翻身穩(wěn)定性）。

3 吊耳布置

吊耳布置原則：對(duì)稱布置；強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置布置；翻身吊耳與吊裝吊耳盡量共用。

片體分段、半立體分段（上建分段）一般剛性差，所以此類型分段通常會(huì)對(duì)稱布置2排4個(gè)吊耳，共8個(gè)吊耳，4個(gè)吊耳的間距如圖2所示，盡量按此距離布置，并且吊耳盡量布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，如果吊耳間距與強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置發(fā)生矛盾則優(yōu)先考慮強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置。

圖2 吊耳間距

生活樓分段通常側(cè)面會(huì)有開口，在開口區(qū)T型材面板上加槽鋼將T型材端頭連接到一起，避免吊裝過程中開口處變形，如圖3所示。同時(shí)完成剛性差的分段（一般指上建分段）強(qiáng)度計(jì)算如圖4。

圖4 分段強(qiáng)度計(jì)算

4 鋼絲繩聯(lián)繩形式

4.1 一節(jié)鋼絲繩聯(lián)繩形式

單鉤吊裝，CAD 1∶1繪圖，配制鋼絲繩時(shí)，需保證吊鉤在分段重心正上方。鋼絲繩選取的數(shù)量應(yīng)該選用3根或者4根，如圖6和圖7所示。

雙鉤抬吊，CAD 1∶1繪圖，配制鋼絲繩，保證正面繪圖重心在兩吊鉤之間位置，兩吊鉤盡量與重心對(duì)稱布置（均勻分擔(dān)分段重量），側(cè)面繪圖重心位于鉤頭正下方。

三鉤抬吊，CAD 1∶1繪圖，配制鋼絲繩，保證重心在三吊鉤所形成的三角形里，否則分段會(huì)側(cè)翻。

注意，如果吊鉤不設(shè)計(jì)在重心的正上方，則吊起后分段靠自身恢復(fù)力矩以吊鉤為圓心將重心旋轉(zhuǎn)調(diào)整到吊鉤下方（此時(shí)分段會(huì)傾斜）。

圖5 2根繩

圖6 3根繩

圖7 4根繩

圖5中2根繩的分段轉(zhuǎn)運(yùn)過程中受到外來沖擊后，鋼絲繩發(fā)生前后方向錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以圖3根繩連接方式一般不采用。圖6和圖7單鉤吊分段時(shí)都具有穩(wěn)定性，前后左右均不會(huì)翻轉(zhuǎn)，但是圖6的吊裝方案最優(yōu)，因?yàn)殇摻z繩實(shí)際長(zhǎng)度與理論長(zhǎng)度會(huì)有出入，同時(shí)吊鉤實(shí)際位置也不會(huì)正好在吊鉤正下方，所以分段靠恢復(fù)力矩自動(dòng)調(diào)到穩(wěn)定狀態(tài)，分段略微傾斜一點(diǎn)，其中做雙使用的鋼絲繩會(huì)局部錯(cuò)動(dòng)調(diào)整，從而使4個(gè)吊點(diǎn)均勻受力。圖7聯(lián)繩方式在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際重心也不會(huì)正好在吊鉤下方，會(huì)導(dǎo)致4根繩中只有2根對(duì)角鋼絲繩受90%的力，而另外2根只起到調(diào)節(jié)平衡的作用或受少部分力。所以吊重物時(shí)選擇4根繩吊重物時(shí)，鋼絲繩的選擇按T·S/2來選鋼絲繩，而圖6聯(lián)繩方式可以按T·S/4選鋼絲繩（T為分段重量，S為吊裝安全系數(shù)）。

雙鉤抬吊分段鋼絲繩連接形式，也需保證分段不能發(fā)生傾斜，并保證分段吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)的平穩(wěn)性。

其中圖8單鉤設(shè)計(jì)為2根繩，分段可能會(huì)左右翻到，另外的吊鉤聯(lián)繩方式同樣存在左右翻倒，所以綜合一起，分段有左右翻到危險(xiǎn)；圖9單鉤設(shè)計(jì)也是2根繩，會(huì)前后翻倒，但是另外的吊鉤避免了分段前后翻倒，所以圖8聯(lián)繩穩(wěn)定，同時(shí)需合理配置鋼絲繩長(zhǎng)度，保證分段前后方向看時(shí)，兩吊鉤在重心正上方。如果鋼絲繩長(zhǎng)度有偏差，可以采用增加卸扣調(diào)整鋼絲繩長(zhǎng)度。從實(shí)際考慮兩行車抬吊分段時(shí)，采用圖9方案為最優(yōu)。圖9方案可以避免單鉤鋼絲繩前后方向調(diào)整鋼絲繩長(zhǎng)度，而只需調(diào)整左右方向的鋼絲繩長(zhǎng)度即可，降低配鋼絲繩難度，并且單鉤下每個(gè)吊點(diǎn)受力均勻。如果每個(gè)吊點(diǎn)均采用單根鋼絲繩，分段鋼絲繩數(shù)量變?yōu)?根，8根鋼絲繩需要同時(shí)滿足理論長(zhǎng)度方能調(diào)平鋼絲繩，所以鋼絲繩選擇的越多則要求吊耳的對(duì)稱性越高，一般分段只能滿足單側(cè)對(duì)稱，很難滿足中心對(duì)稱，并且受力嚴(yán)重不均（圖7）。

兩吊鉤吊運(yùn)分段，其他工程實(shí)例如圖10所示，鋼絲繩配平繪圖方式如圖11所示。

圖10 吊裝示意

圖11 配鋼絲繩圖

三鉤抬吊，一般所述為龍門吊，也可其他3臺(tái)單鉤使用的吊機(jī)，此處所說的三鉤并非是3個(gè)吊機(jī)，而是吊裝方案里僅涉及3個(gè)吊鉤吊裝，如圖12所示。三鉤吊重量的分解，根據(jù)力偶平衡，分段重量一級(jí)分解為A、D，其中D再進(jìn)行2級(jí)分解成B、C，從而精確計(jì)算出A、B、C三點(diǎn)受力。

4.2 二節(jié)鋼絲繩聯(lián)繩形式

大型構(gòu)件吊裝時(shí)，海工平臺(tái)類分段艙壁一般厚度為8 mm～10 mm，所以一般設(shè)計(jì)為40 t吊耳，根據(jù)分段重量多設(shè)計(jì)吊耳來分擔(dān)重量，個(gè)別厚板分段可以設(shè)計(jì)大噸位吊耳，以下吊裝聯(lián)繩方式以某船廠海工平臺(tái)吊裝合攏來解釋二節(jié)鋼絲繩聯(lián)繩方式。常用的串聯(lián)鋼絲繩1→2→4為例講解鋼絲繩的調(diào)配。

圖12 三鉤吊裝

分段二節(jié)聯(lián)繩方式，一般適用于雙鉤吊和三鉤吊，據(jù)分段特點(diǎn)，合理布置吊耳，同時(shí)又需要滿足配鋼絲繩容易，如圖13所示。

圖13 平面鋼絲繩配平

L1、L2、L3、L4分別代表不同鋼絲繩（數(shù)量以船廠為準(zhǔn)），鋼絲繩的長(zhǎng)度可以直接在圖上測(cè)量出來，調(diào)整鋼絲繩交點(diǎn)位置（L1為L(zhǎng)2的角平分線，L3為L(zhǎng)4角平分線），讓L2和L4鋼絲繩長(zhǎng)度及規(guī)格優(yōu)先符合公司內(nèi)吊索具數(shù)量，然后適當(dāng)調(diào)整頂部L1和L3交點(diǎn)，讓其長(zhǎng)度及規(guī)格符合公司內(nèi)吊索具規(guī)格數(shù)量，如有長(zhǎng)度出入，可以適當(dāng)穿連短鋼絲繩或者卸扣來調(diào)整L1和L3長(zhǎng)度。L1、L2、L3、L4所形成的面即L高度參與另一面S高度調(diào)平。另一面調(diào)平需要注意L與S的夾角小于60°，調(diào)平后的吊裝方案如圖14所示。

吊排吊裝聯(lián)繩方式屬于二節(jié)聯(lián)繩方式中的特例，如圖15和圖16所示。

圖 15中配繩順序：1）吊梁擺水平；2）確定L3、L4長(zhǎng)度；3）確定繪制L2、L5長(zhǎng)度及位置，位置需滿足L2為L(zhǎng)3角平分線，L5為L(zhǎng)4角平分線，并且L2，L5延長(zhǎng)線相互交點(diǎn)在“重心在此配繩面投影”的上方，如圖17所示；4）吊鉤布置在“重心在此配繩面投影”的上方，繪制L1、L6長(zhǎng)度，配鋼絲繩時(shí)可以適當(dāng)加1個(gè)卸扣調(diào)整長(zhǎng)度。

圖14 二節(jié)聯(lián)繩雙鉤吊裝圖

圖15 吊排吊裝圖

圖16 吊排吊裝聯(lián)繩方式

圖17 延長(zhǎng)線相交點(diǎn)位置

5 吊裝翻身穩(wěn)定性

吊裝方案穩(wěn)定性，已在第4章節(jié)鋼絲繩聯(lián)繩形式中已提到，即吊裝時(shí)分段平衡不會(huì)出現(xiàn)傾斜翻轉(zhuǎn)。抬吊設(shè)計(jì)方案時(shí)，吊鉤數(shù)量小于等于 3，嚴(yán)禁出現(xiàn)大于3個(gè)吊鉤抬吊分段，如果必須吊鉤數(shù)量大于3進(jìn)行抬吊分段時(shí)，則設(shè)計(jì)方案時(shí)，需考慮僅2吊鉤為主吊吊鉤，其余為輔助調(diào)平使用（原因參照?qǐng)D 7進(jìn)行理解），如果多吊鉤聯(lián)吊分段，共用一個(gè)集成控制，可以實(shí)現(xiàn)吊鉤同步，則吊鉤數(shù)量可以大于3。

翻身方案穩(wěn)定性，即翻身過程中分段處于可控狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)沖擊。空中翻身如圖18所示（聯(lián)繩方式見圖 5）。空中翻身方案設(shè)計(jì)需要注意，下放的B繩如果從分段邊緣兜過來，需保證兜的位置沒有圓弧凸臺(tái)，否則會(huì)在翻身過程中，B鋼絲繩出現(xiàn)滑脫，分段迅速下墜進(jìn)而產(chǎn)生沖擊，如圖19所示。

圖18 空中翻身過程圖

圖19 嚴(yán)禁兜圓弧翻身

著地翻身過程見圖20，起初分段重心在吊點(diǎn)及地面支撐點(diǎn)之間（①到③過程），此過程中分段平穩(wěn)翻身，當(dāng)分段重心越過著地點(diǎn)時(shí)，分段憑借自身重量會(huì)加速翻身過程（③到④過程），此過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊，所以著地翻身的方案設(shè)計(jì)要消除沖擊。例如生活樓分段一般尺寸為18 m×20 m×3 m，重心、吊點(diǎn)、著地點(diǎn)三者連線近似直線，并且分段較輕，所以在③到④過程時(shí)，吊機(jī)繼續(xù)提升，而“分段著地側(cè)”會(huì)在陸地上滑動(dòng)，進(jìn)而擺動(dòng)到④平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)消除沖擊翻身。選配鋼絲繩時(shí)應(yīng)按翻身過程中最大受力選配鋼絲繩。

圖20 空中翻身過程圖

例如船體分段，重心、吊點(diǎn)、著地點(diǎn)三者為折線，并且分段較重，需要有效消除沖擊進(jìn)行翻身，如圖21所示。

如果翻身時(shí)僅 A提升則其中①→②→③為平穩(wěn)翻身過程，③→④為沖擊過程，則方案不合格。而圖中增加了 B吊裝翻身點(diǎn)，所以在①→②→③→④過程中，重心總在吊點(diǎn)與著地點(diǎn)之間，所以翻身過程穩(wěn)定，從而消除著地翻身產(chǎn)生的沖擊[3]。

6 吊耳強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)鋼絲繩聯(lián)繩形式，計(jì)算出各吊點(diǎn)所受的力（吊耳受力采用三角形法則進(jìn)行力的分解），選擇受力最大的吊耳進(jìn)行計(jì)算，如果涉及翻身，則需根據(jù)翻身狀態(tài)識(shí)別出最危險(xiǎn)工況進(jìn)行局部建模計(jì)算，如圖22所示。注意：吊耳受側(cè)向力時(shí)，均需要計(jì)算，避免應(yīng)力集中撕裂吊耳[4]。

7 綜合吊裝應(yīng)用案例

生活樓整體分段吊裝，方案如圖23所示，配繩方式為圖14～圖16的綜合。

8 量化吊裝審核項(xiàng)

吊裝審核項(xiàng)目檢查表如表1所示。

圖21 著地翻身過程圖

圖22 吊耳局部計(jì)算云圖

表1 吊裝審核檢查表

續(xù)表1

圖23 生活樓整體吊裝

9 結(jié)論

本文就吊裝翻身設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，明確了設(shè)計(jì)流程，規(guī)定了吊裝翻身方式、吊耳布置、鋼絲繩聯(lián)繩形式、吊裝翻身穩(wěn)定性、吊耳強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)量化吊裝審核項(xiàng)，從而做到吊裝翻身設(shè)計(jì)有規(guī)則可依。此設(shè)計(jì)方法有大量工程案例做支撐高效、安全。