大型龍門吊剛、柔性腿吊裝方式分析

鈕國平

（江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，江蘇南通226000）

1 引言

隨著我國的造船工藝的迅速發(fā)展，各大船廠承接的船舶噸位從幾萬噸發(fā)展到十幾萬噸，使船體各分段的重量和尺寸也越來越大，作為船廠的主要配套設(shè)備，龍門吊的跨度、起重量、起升高度要求也越來越高，使龍門吊整機(jī)的質(zhì)量和安裝高度不斷增加，總裝難度越來越高。

2 工程概況

本文中的1200t龍門吊為大噸位的船用龍門吊，主體結(jié)構(gòu)為：大梁、支腿（剛性腿、柔性腿），其跨距為120m，剛、柔性豎立后高度約78m，龍門吊大梁、剛性腿、柔性腿結(jié)構(gòu)分別按圖紙制作完成，然后在總裝場地預(yù)埋軌道上完成整個(gè)龍門吊總裝。

3 支腿結(jié)構(gòu)吊裝

總裝順序?yàn)椋簣龅夭贾谩休d軌道上布置大車—吊裝剛性腿—斜拉索固定剛性腿—吊裝柔性腿—斜拉索固定柔性腿—調(diào)整剛、柔性腿開檔—為吊裝大梁做好準(zhǔn)備[1]。

剛性腿總質(zhì)量約520t，長71.6m，需起吊高度102m。本段以吊裝剛性腿為例介紹剛/柔性腿的吊裝方案，剛/柔性腿翻身、豎立完成后，通過大車銷軸將其安裝在已布置好的大車行走上，然后使用防風(fēng)鋼索斜拉，將剛/柔性腿固定，為后續(xù)吊裝大梁工作做好準(zhǔn)備。

4 吊裝方案設(shè)計(jì)

4.1 吊裝方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

吊裝方案設(shè)計(jì)內(nèi)容為：（1）計(jì)算剛性腿重心，擬定吊耳位置及此位置的受力計(jì)算。（2）根據(jù)吊裝過程中翻身的角度受力分析及浮吊吊高，選擇合適直徑及長度的吊裝鋼絲繩。（3）設(shè)計(jì)吊裝吊耳，吊耳要求根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置，此次剛性腿吊耳采用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓與剛性腿頂部法蘭進(jìn)行連接，并對(duì)吊耳強(qiáng)度和螺栓擰緊后強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，對(duì)安裝位置進(jìn)行加強(qiáng)。（4）剛性腿吊裝豎立后，進(jìn)行防傾斜及風(fēng)載計(jì)算，確定防風(fēng)纜繩的受力強(qiáng)度、長度，確定固定地錨位置及強(qiáng)度等。

4.2 計(jì)算論證

重心計(jì)算：假設(shè)整個(gè)剛性腿縱向重心離上部法蘭頂部距離為L，剛性腿重量為G，各零件重心離上部法蘭距離為Li，各零件重量為Gi，則L=∑GiLi/G，可得縱向重心位置。同樣的方法可以求出橫向重心的位置。根據(jù)重心位置及剛性腿整體重量及力矩平衡，求出剛開始翻身時(shí)拉力P=214t。隨著翻身的角度越來越大，剛性腿重量將壓在底部支撐上，而翻身拉力越來越小，直到完全直立狀態(tài)，當(dāng)完全直立提升時(shí)，P最大，等于剛性腿重量520t，單個(gè)吊耳受力為520t/4=130t，根據(jù)最大受力可配置起吊鋼絲繩。

翻身吊耳計(jì)算：根據(jù)受力分析，每個(gè)翻身吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為200t，為2.5倍安全系數(shù)。吊耳上有軸孔的水平截面A-A和垂直截面B-B為危險(xiǎn)截面。根據(jù)水平截面A-A的內(nèi)側(cè)孔邊最大拉應(yīng)力為：

式中，F(xiàn)為吊耳所受外力；b為吊耳主板寬度；d為吊耳孔直徑；δ為吊耳主板厚；δ′為吊耳加強(qiáng)板厚；σs為屈服強(qiáng)度；αj為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5。

垂直截面B-B的內(nèi)側(cè)孔邊最大拉應(yīng)力（切向）：

式中，h0為受力方向吊耳軸孔中心到外側(cè)長度。

根據(jù)受力大小及式（1）、式（2）設(shè)計(jì)200t吊耳。

由于剛性腿頂部為法蘭結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)吊耳時(shí)，吊耳與主結(jié)構(gòu)連接考慮其用螺栓連接，共布置4個(gè)吊耳，左右對(duì)稱。每個(gè)吊耳通過24個(gè)M24×130的高強(qiáng)螺栓與主結(jié)構(gòu)連接，因此，在吊耳本身強(qiáng)度滿足的情況下，還需要核算每個(gè)吊耳連接螺栓的抗拉安全系數(shù)。計(jì)算時(shí)以水平狀態(tài)受力和垂直狀態(tài)受力2種狀態(tài)進(jìn)行。計(jì)算出最低安全系數(shù)為1.9，基本滿足翻身吊裝要求。

連接螺栓安全系數(shù)計(jì)算過程為：剛性腿組件總重為520t，高強(qiáng)度螺栓M24，螺栓屈服強(qiáng)度σs＝940MPa。預(yù)緊力P0＝24 000×9.8＝235 200N，螺栓抗拉載荷F0＝388 000N。

1）剛起吊與地面成0°時(shí)，吊耳受力狀態(tài)如圖1所示，受到外力P=214t。此時(shí)，吊耳兩側(cè)螺栓受力F1為拉力，F(xiàn)2為壓力，復(fù)核螺栓強(qiáng)度以拉力F1進(jìn)行。

單個(gè)吊耳受到的拉力：P′=214/2=107t=1 048 600N，摩擦力：f1=0.35P0=82 320N，單個(gè)吊耳受摩擦力：f=24×82 320=1 975 680N＞P，所以，單個(gè)吊耳剪切力為0。

單個(gè)吊耳受到的彎矩：

M=PL=1 048 600×395=414 197 000N·mm。

離中心最遠(yuǎn)的螺栓受到最大拉力：

F1=ML1/［2i（L12+L22+L32+L42+L52）］=79 695N（每行螺栓數(shù)量i=2，L1～L5為每組螺栓到受力中心距離）。

離中心最遠(yuǎn)的螺栓受到的拉力合計(jì)=F1+P0=79 695+235 200=314 895N＜F0。

離中心最遠(yuǎn)的螺栓的安全系數(shù)K=（F0-P0）/F1=1.9。

2）與地面成90°時(shí)，并要求抬起，吊耳受力狀態(tài)如圖2所示。單個(gè)吊耳受到的拉力P′=130t=1 274 000N，每個(gè)螺栓受到的拉力F1=P′/24=53 083N，螺栓的安全系數(shù)K=（F0-P0）/F1=2.88。

圖1 剛性腿腿水平 狀態(tài)吊耳受力

圖2 剛性腿垂直狀態(tài)吊耳受力

3）剛性腿安裝后風(fēng)載荷的計(jì)算，剛性腿豎立后主要靠6個(gè)斜拉鋼索進(jìn)行固定，其主要不穩(wěn)定受力主要來自風(fēng)載荷、自身重心偏心，分析如下：

式中，Pw為風(fēng)荷載；C為風(fēng)載體形系數(shù)，取值1.4；Kn為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.33；q為計(jì)算風(fēng)壓值，取11級(jí)臺(tái)風(fēng)為66.42kg/m2；A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。計(jì)算時(shí)，根據(jù)重心偏向和最大迎風(fēng)面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：Pw=112t。

假設(shè)：（1）風(fēng)載荷Pw集中作用一點(diǎn)受力面平均中心；（2）剛性腿偏斜3°（吊大梁前調(diào)整開或者壓大梁時(shí)受到?jīng)_擊時(shí)狀態(tài)）。

豎直狀態(tài)時(shí)力矩平衡：F1L1=Gb1+Pwa1，得F1=88t。

單根鋼絲繩受力：F=F1/2=44t（以2根鋼絲計(jì)算，中間為調(diào)整鋼絲繩）。

剛性腿偏斜3°力矩平衡：F2L2=Gb2+Pwa2，得F2=115t。

單根鋼絲繩受力：F=F2/2=57.5t（以2根鋼絲計(jì)算，中間為調(diào)整鋼絲繩）。

式中，a1、a2為兩種狀態(tài)下，風(fēng)載荷作用力Pw到剛性腿支點(diǎn)的垂直距離；b1、b2為兩種狀態(tài)下，剛性腿重心到剛性腿支點(diǎn)的垂直距離。平衡支點(diǎn)為剛性腿豎立時(shí)支撐點(diǎn)。

以鋼索受力大小確定與此鋼索連接的剛性腿吊耳、地錨、滑車、卷揚(yáng)機(jī)及測力裝置的配置，并進(jìn)行設(shè)計(jì)或采購。按同樣方法確定柔性腿的地錨、滑車和卷揚(yáng)機(jī)規(guī)格。

5 結(jié)語

龍門吊剛、柔性腿安裝有多種方式，每種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)，需因地制宜地選擇，在保證安全的前提下，提高效率。本文的吊裝方式適合大型浮吊設(shè)備，且在臨碼頭有大的總裝場地，可供從事相同專業(yè)人員參考。