大型水電站單吊點錨索吊裝系統設計及施工技術

賈棟林，李 剛

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

1 引言

兩河口電站地下廠房安裝有兩臺套QD550/100 t+16 t-24.8 m雙梁橋式起重機，其中主要吊裝的大件為：組裝后的兩根主梁、小車和副起升機構及550 t主起升機構。主梁與行走機構和附件組裝后最重約68 t，組裝后的小車架和副起升機構重約62 t，550 t主起升機構重約55 t。

電站地下廠房頂拱錨索設計噸位為2 000 kN，承載力為1 000 kN。初步設計吊裝系統滑輪組和鋼絲繩重約8 t，預估單吊點錨索系統最大垂直受力為76 t，因此采用單吊點錨索設計方案可滿足兩河口水電站橋式起重機各部件的吊裝工作。

2 施工流程

施工流程如圖1所示。

圖1 單吊點錨索吊裝橋式起重機大件施工工藝流程圖

3 錨索張拉

兩河口水電站橋式起重機吊裝錨索位于安裝間頂拱中間部位，錨索由錨頭、自由端和錨固段三部分組成，其中錨頭部位有13根張拉鋼絞線，需在單吊點吊裝系統安裝間完成張拉。張拉完成后，需要連接吊具用于后續橋機大型部件的吊裝，其中錨頭部位結構如圖2所示。

圖2 錨頭部位結構示意圖

錨索張拉在注漿及錨梁砼達到設計強度后進行，張拉錨索前對張拉設備進行標定，并在壓力機上采用千斤頂主動出力的方法反復試驗3次，取平均值，繪制千斤頂出力（kN）和壓力表指示的壓強（kPa）曲線，作為錨索張拉時的依據。錨索張拉分兩次逐級張拉，第一次張拉為總張拉力的70%，兩次張拉間隔5 d。各級張拉力分別為設計張力以25%倍數遞增，每級間隔時間3 min，最后一級間隔30 min，全部張拉完成后，進行鎖定。

錨索在吊裝系統安裝前，留150 mm鋼絞線長度，其余外露部分用切割片切斷，待橋式起重機吊裝完成后，采用混凝土進行整體封錨。

4 吊裝方式選擇

根據錨索特點，現場擬定了螺栓連接吊裝結構及焊接吊裝結構兩種方式，并通過采用三維軟件Solidworks進行初步結構設計及仿真分析后，得出兩種方案在理論上都能夠滿足兩河口水電站橋式起重機各部件的吊裝工作，如圖2、圖3所示。

圖3 螺栓連接型吊具

經過方案論證，考慮到單吊點錨索的吊具在本項目不需要重復使用及直接焊接可靠性高的特點，最終確定制作箱型吊耳與錨頭直接焊接的連接方式。方案優缺點對比如表1所示。

表1 螺栓連接型吊具與焊接型吊具優缺點對比表

5 箱型吊耳受力計算、制作、焊接

5.1 箱型吊耳受力計算

查詢《焊接手冊》第二卷 材料的焊接（第3版260頁），選用現有材料Q345C作為箱型吊耳材料，板厚55 mm，得到該材料屈服強度δsmin≥275 MPa ，抗拉強度σb=470～630 MPa，在靜載的情況下，鋼材取ns=2～2.5，其許用應力[σ]=σsmin/ns=275÷2=137.5 MPa，許用剪切應力[τ]=(0.6～0.8)[σ]=0.6×137.5=82.5 MPa。

根據Solidworks仿真軟件，得到箱型吊耳板最大受力為I-I截面，如圖4所示。按吊裝系統100 t靜負荷試驗進行計算校核：76 t×1.25倍=95 t＜100 t。則箱型吊耳I-I截面在100 t靜負荷試驗時的承載能力為：

圖4 焊接型吊具

圖5 箱型吊耳I-I截面位置

選用材質Q345C、板厚55 mm、長度470 mm鋼材制作的箱型吊耳，其強度滿足使用要求。

按吊耳與錨頭的連接方式采用焊接，根據《焊接手冊》制定焊接工藝，將制作好的箱型吊耳焊接于錨頭上并校核焊縫強度。焊縫主要受拉應力，載荷按100 t計算，其中焊縫截面積按兩個吊耳板截面積進行計算，焊縫截面系數為ψ=0.8～0.95，取最小值ψ=0.8。其焊接強度為：

因此焊接采用手工電弧焊，焊條為E5015，熔敷金屬抗拉強度≥490 MPa。21.84 MPa＜490 MPa，故焊縫強度滿足要求。

5.2 箱型吊耳制作

理論計算結果通過后，箱型吊耳數控切割，吊耳孔采用機加工制成，兩板孔徑偏差要求≤0.2 mm，同時為確保箱型吊耳焊接后軸孔位置不出現大的偏移，現場焊接時采取穿軸焊接，并在吊耳孔內放置一圈1 mm鐵皮，確保了箱型吊耳焊接后的軸孔同心度，如圖6所示。

圖6 箱型吊耳穿軸焊接

箱型吊耳與錨索的焊接采用單V坡口的型式進行。坡口的角度為40°，焊接時采用Φ3.2的E5015（CHE507）焊條，焊條使用前按規范要求進行1 h 380 ℃烘焙，使用時放置在100～150 ℃通電的保溫桶內進行保溫。其定位焊和主焊縫焊接前預熱（定位焊縫預熱溫度為120～140 ℃），正式焊接預熱溫度為80～120 ℃。預熱區的寬度為焊縫中心線兩側各3倍板厚處。焊接采取多層多道焊，焊接電流控制在110～140 A，電弧電壓在18～24 V；焊接速度控制在8～12 cm/min，焊接完成后48 h，對所有焊縫進行UT和PT探傷，合格后進行吊裝滑輪組的安裝。

6 吊裝設備布置及選型

選用一臺200 t的10門滑輪組作為動滑輪，選用一臺200 t的10門滑輪組作為定滑輪，與天錨箱型吊耳連接。選擇20 t的單門吊鉤定滑輪作為導向滑輪，導向滑輪與預設錨桿連接固定，吊裝設備布置如圖7所示。

圖7 單吊點錨索吊裝系統布置示意圖

卷揚機及牽引鋼絲繩的選擇如下：

（1）卷揚機的選擇：按10門滑車組小花穿繞21根鋼絲繩吊裝計算卷揚機牽引力Z，由牽引力計算公式得：

式中：Q——為吊裝荷載最大重量100 t；

n——鋼絲繩數量；

η——滑車綜合效率；

ε——滑車阻力系數；

η1——導向滑輪效率。

根據計算出的牽引力8.08 t，故選擇16 t卷揚機為吊裝提供牽引動力。

（2）單根鋼絲繩受到的拉力為：P=Q/n×g=8.08 t×9.8 kN/t=79.18 kN

鋼絲繩的破斷總拉力為：ΣS0=P×K/a=482.80 kN

式中P——鋼絲繩的容許拉力（kN）；

ΣS0——鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和（kN）；

a——考慮鋼絲繩之間荷載不均勻系數，對6×37鋼絲繩，a取0.82；

K——鋼絲繩使用安全系數,取5。

選用6X37+FC-Φ36 mm鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 570 MPa，查GB8919-2006，最小破斷拉力F0=671 kN。

F0＞ΣS0，故所選鋼絲繩滿足使用要求。

7 吊裝系統負荷試驗

單吊點錨索吊裝系統安裝完成后，在使用前采用鋼絲繩兜吊的方式按設計額定載荷100 t進行25%、50%、75%、100%逐級增荷負載試驗（圖8）。

圖8 單吊點錨索負荷試驗示意圖

（1）各階段載荷先緩慢提升至距離地面200 mm，保持10 min，再次提升至距離地面500 mm，然后降至距離地面100 mm，反復起落3次。

（2）在實驗過程中，時刻觀察及監測各機構的運行及位移情況。

（3）負載試驗完成后，對箱型吊耳焊縫進行無損檢測，對滑輪組、導向裝置、鋼絲繩、卷揚機、地錨等裝置的完好情況進行檢查。

8 橋式起重機各部件吊裝

橋機吊裝所使用的鋼絲繩與吊索負荷試驗用鋼絲繩相同，起吊點均采用廠家預設的吊裝吊耳，在吊裝前使用Autocad及Solidworks軟件進行吊裝模擬均滿足要求。

圖9 橋式起重機小車及550 t起升機構吊裝示意圖

9 結束語

水電站地下廠房橋式起重機大件的吊裝一般多采用汽車吊和預設預埋錨桿、焊接箱型吊具的方式進行吊裝，預設的錨桿每個都要進行拉拔試驗，且箱體結構焊接存在焊接量大及施工難度大等缺點。本文介紹了一種工藝成熟、結構簡單的單吊點錨索吊裝系統進行地下廠房橋式起重機大件吊裝的方式，其機構簡單、性能可靠，可供后續水電站地下廠房大型設備設計及施工吊裝時借鑒。