淺談壓力鋼管洞內吊運設施的設計布置

邊潤娃

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 丹東118000）

在復雜施工條件有限空間內的起重及牽引運輸工作，卷揚機系統布置靈活、環境適應性強等,尤其是在水電施工中的輸水系統鋼管安裝施工中，作用明顯。在近些年抽水蓄能電站中高水頭、長斜井或長豎井等結構采用壓力鋼管承擔輸水任務。鋼管運輸單元重量大、體積大，卷揚機系統的正確選型及受力分析是保證安全的必備前提。

1 卷揚機系統簡介

卷揚機系統，一般來說包括以下內容：卷揚機、滑輪組、鋼絲繩、吊耳等。作為鋼管的吊運系統使重物發生垂直或水平方向的位移，同時還包括臺車與軌道。其中，卷揚機可分為卸車卷揚機與牽引卷揚機。滑輪組分為定滑輪組、動滑輪組、導向滑輪。

在布置設計過程中以物重為計算基礎，整個吊運系統的布置設計順序為：參數分析→受力分析→臺車設計→軌道設計→吊耳設計→滑輪組選擇→鋼絲繩選擇→鋼絲繩校核→卷揚機選擇。

2 明確相關影響因數

為滿足施工現場要求，相應的鋼管洞內吊運系統設計之前首先應明確以下內容：鋼管的運輸路線（以確定鋼管制作最大尺寸、是否組大節、是否有避車道、是否倒車進洞等），鋼管總體安裝順序（明確開工幾個工作面，吊運設備是否多個工作面共享以及相關的設備投入），相鄰作業面的影響情況（明確設備布置位置，是否需要洞室擴挖以及開工時間等），洞室的開挖支護斷面尺寸（包括施工支洞及安裝主洞，決定鋼管運輸方式、軌道間距以及運輸設備選擇），斜井長度、角度（決定設備、鋼絲繩選型）等。

3 布置校核

選擇以下幾個方面簡要介紹鋼管吊運設施的布置設計：

3.1 吊耳，吊耳的使用位置包括，鋼管外管壁，用作鋼管卸車吊裝或鋼管斜井溜放，若鋼管汽車運輸時鋼管軸心與地面平行，則吊裝吊耳在鋼管長度方向中心位置，若鋼管汽車運輸時軸心與地面垂直，則吊裝吊耳在靠近鋼管上管口布置，同時用作豎井放管，鋼管斜井溜放吊耳在鋼管外壁腰線上部左右各一；鋼管內管壁吊耳，用作鋼管內部操作平臺的鎖定，位于鋼管上管口下中心附近；運輸臺車上的吊耳包括臺車前后的牽引吊耳及兩側的鎖定掉耳。吊耳的型式多為板式吊耳，材質根據規范要求選用于鋼管管壁同材質或相容的材質。

主要校核過程首先根據實際受力狀態分析受力情況，校核參數包括：角度：垂直方向α、水平方向β；吊耳板抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強度；安全系數k；角焊縫系數0.7；吊耳板許用拉應力、許用剪應力；動載綜合系數K；吊耳孔中心線至點半中心的距離L；吊耳板端部的圓弧R；吊耳板中心孔直徑D；吊耳板厚度t；重力加速度g。

根據以上參數計算：吊索方向載荷：FL=F·K；橫向載荷：FH=FL·cosβ；豎向載荷：FV=FL·sinβ；徑向彎矩：M=FH×L；最大拉應力：σL=FL/(t（2R-D））；最大剪應力：τL=σL；角焊縫面積：A=2*(L*tan0°+R)*t；角焊縫拉應力：σf=FV/A；角焊縫剪應力：τf=FH/A；角焊縫彎曲應力：σw=6M/｛t[2(L*tan0+R)]2｝；組合應力。

3.2 鋼絲繩，作為主要起重吊運設置，鋼絲繩需要嚴格按符合規范要求的方法進行選擇校核。使用部位包括：鋼管裝卸車及斜井放管鋼絲繩吊索，鋼管卸車卷揚機鋼絲繩，運管臺車平段牽引鋼絲繩，斜井鋼管溜放鋼絲繩，運人臺車牽引鋼絲繩等。根據不同的使用部位分別進行驗算。

其中，吊索計算需要特別注意吊索受力角度及安全系數選擇，吊索張開角度不應大于120°，應盡量選擇張角不大于90°，吊索安全系數最小值為6，當用吊索直接捆綁重物時吊索與棱角間應妥善保護，安全系數取6-8，起吊重大物品時安全系數應取10。

使用滑輪組卸車或吊運的鋼絲繩，其計算最大負荷位置應為滑輪組的跑頭拉力，其計算方法應考慮滑輪組的省力系數及計算載荷，滑輪組的省力系數根據滑輪組倍率、導向滑輪數量以及滑輪軸承型號不同，同倍率情況下，導向滑輪數量越多、軸承摩擦系數越大則滑輪組省力系數越大，鋼絲繩跑頭拉力越大。為減小鋼絲繩直徑應減少導向滑輪數量及選擇軸承摩擦力小的滑輪。計算載荷用吊物重力乘動力系數求得，在重物起升或中間停止時鋼絲繩起升速度小于等于0.2m/s 時最大起升動載系數取1.1，當速度大時動載系數不大于1.9。同時計算機構的工作級別，取安全系數要求較大者進行鋼絲繩的選擇。

3.3 卷揚機，根據現場空間及受力分析，確定卷揚機參數，在條件允許情況下，斜井豎井卷揚機選擇應偏安全，電氣系統應著重考慮運行時長及極限載荷狀態，及吊運過程中的沖擊動載荷等不利因數。

3.4 斜井鋼管的防傾覆校核，首先明確最大吊運單元外形尺寸，臺車尺寸及洞室尺寸，一般情況下鋼管與臺車鎖定按連成整體計算其最大外形對角線應大于洞室開挖尺寸，不存在翻到可能，但是可能會傾斜。在斜井鋼管溜放過程中，由于上下彎段鋼管受力情況較復雜，應對傾斜可能進行驗算。通過驗算確定溜放吊耳焊接高度、軌道安裝角度以及斜井溜放鋼管的首節安裝位置。

舉例說明，根據洞室開挖體型，軌道至洞頂7.5m，鋼管最大對角尺寸為8.8m，因此鋼管在運輸過程中不可能傾翻。下面計算鋼管傾斜力矩，（臺車前輪或后輪不受力時）。受力分析示意如下：

其中：L5、L6、L7、L8、L9、∠b、∠γ 均為已知；

相對支點2 前傾力矩計算：后傾力矩=

在鋼管運行過中，計算校核的傾斜力矩包括：放管鋼絲繩剛受力時；∠α 最大時；在L4=0，β+γ=900時；重力方向超過支點2 時；在首節溜放鋼管至下彎段安裝位置時；根據不同位置時重力方向在兩支點中間或之外，若在兩支點之間則只驗算后傾力矩，若在支點2 之前則驗算前傾、后傾力矩。

另外，鋼管運輸臺車的軌道間距應為鋼管直徑的0.5-0.6倍，軌道的驗算應按簡支梁進行包括強度及剛度的驗算，軌道若使用頻率高、時間長還應該進行耐磨考慮。臺車的摩擦力應考慮車輪軸承摩擦力及車輪與軌道面摩擦力，臺車啟動摩擦力計算應考慮以滑動摩擦力計算。若在鋼絲繩及卷揚機選擇時考慮鋼管斜井的起升狀態還應考慮滑輪組的效率系數，通常會遠大于溜放受力狀態。

4 結論

在鋼管洞內吊運相關設施設計校核過程中應充分考慮各種工況，且不能漏算或減少有關的不利影響系數，增加工程危險因素。希望本文對相關同仁有所幫助，不足之處請修改指正，未盡之處留待后述。