120噸浮吊設計

1、120噸浮吊支架設計葉紹其 趙鵾鵬摘 要：天興洲長江大橋主塔墩基礎采用雙壁吊箱圍堰施工，基礎施工吊裝構件多，吊重大，需用大噸位水上吊機作為起吊設備。本文介紹了120噸浮吊的設計思路和結構設計過程。 關鍵字：起重設備 船舶 浮吊 支架設計 一、工程概況 天興洲長江大橋位于武漢長江二橋下游9.5km處的天興洲分汊江段上。大橋全長4657.1米，共有橋墩139座，上部結構分三種結構形式，南汊主河槽為98+196+504+196+98米雙塔三索面公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，北汊河道為54.2+2×80+54.2米四跨連續(xù)預應力混凝土箱梁，其余橋跨均為40.7米混凝土箱梁。公路橋為多跨連續(xù)箱梁，鐵路

2、橋除漢口岸四孔為連續(xù)箱梁外，其余均為簡支箱梁。大橋基礎均為鉆孔灌注樁，主塔墩樁基為3.4m柱樁，樁長84m，鋼護筒直徑為3.6m，鋼護筒最大重量為96噸。二、120噸浮吊用途及使用環(huán)境 主要滿足天興洲大橋工程主橋2#、3#墩樁基礎的鋼護筒吊裝、插打以及鋼筋籠的安裝等需要。天興洲長江大橋位于內河B航區(qū)，波浪要素為15m×1.5m（波長×波高）。2#墩的桅桿吊機位于主航道側，3#墩的桅桿吊機處于圍堰和河岸之間，桅桿吊機通過收放兩側的錨繩在圍堰長度范圍內來回作業(yè)。三、方案比選 根據(jù)天興洲大橋2#、3#墩基礎施工的需要，采用兩艘800t的駁船改裝成滿足工程需要的120噸桅桿吊機，駁

3、船的船長47.0m，船寬12m，型深3.0m,設計吃水2.0m，船體穩(wěn)性、總縱強度和局部強度經(jīng)過計算均能滿足要求，因此，桅桿吊機的設計重點在于兩駁船的連接支架的計算與設計。根據(jù)船體在水中的受力特點，連接支架結構可以采用不同的受力體系進行分析，即剛性體系（完全由連接支架承受由吊機自重、吊重、波浪等荷載產(chǎn)生的彎矩和扭轉力矩，不考慮兩駁船發(fā)生相對位移）和柔性體系（連接支架承受部分彎矩和扭轉力矩，同時允許支架發(fā)生較大的變形，部分外荷載產(chǎn)生的彎矩和扭轉力矩通過船體的橫傾和縱傾來抵抗）?，F(xiàn)根據(jù)以上兩種結構體系的特點，對以下二個方案進行分析比較： 方案一、用兩個寬4米，高2米的抗扭箱將兩駁船聯(lián)結成一個剛性體

4、，抗扭箱高出甲板1米，同時把高出部分延生到兩駁船的整個船寬。在抗扭箱上設置桁架，桁寬4米，桁高10米。抗扭箱底板與船舷側連接部分用圓弧過渡，減小結構的應力集中，改善結構受力性能。 方案二、采用四個萬能桿件支架將兩艘駁船（駁船內舷間距10m）連成一體共同承受吊機自重、吊重、浮力、波浪力等各種外力。前后兩支架（支架三）為連接支架，支架跨長34m，桁寬2m，桁高2m；支架一、二為主承重結構，支架總高度12m，桁寬4m，沿兩駁船橫斷面方向分為三跨，兩邊跨凈跨為8m，桁高4m，中跨凈跨為10m，桁高8m，兩支架立柱與船體的連接采用“T”字形節(jié)點板與船體側板和甲板直接焊接。支架一用于支承桅桿吊機前支點，支

5、架二為桅桿吊機的后支點支撐點，支架三為連接支架，起到約束兩駁船在水平面內的位移，同時支架三拼裝完畢后可為支架一、二拼裝提供一個穩(wěn)定的施工平臺。 以上兩種方案所需材料及駁船的荷載見下表： 表1 單位：噸船 體抗扭箱桁 架起重機吊 重總荷載方案一440664981801201304方案二44003291801201069 從上表可看出，在兩方案均能滿足結構受力要求的情況下，采用剛性連接（方案一）比采用柔性連接（方案二）需多用鋼材66噸，萬能桿件169噸。方案一采用兩個抗扭箱聯(lián)結兩駁船，抗扭箱的加工工程量大，不易安裝；第二方案取消了抗扭箱，支架立柱于船體之間用“T”節(jié)點板直接連接，結構輕巧，安裝簡便

6、。通過分析比較，方案二從經(jīng)濟和施工難度上有明顯的優(yōu)勢，因此，120噸桅桿吊機采用了方案二作為兩駁船的連接支架。連接支架總體布置圖四、120噸浮吊支架設計思路 置于水中的船舶是個自由體系，船舶的穩(wěn)性（橫傾和縱傾）受船體載重分布和浮力的分布控制。因此、作為用兩駁船改裝而成桅桿吊機的支架設計必須分析清楚整個結構的力學模型，從實體到力學模型的簡化依據(jù)通常就是我們所說的設計條件，對于船舶這樣的特殊受力體需從它的作業(yè)條件概括出設計條件。1、WD120桅桿吊機簡介 (1)、組成WD120桅桿吊機由吊臂、立柱、斜撐、底盤、錨固系統(tǒng)、主起升機構、副起升機構、回轉機構、變幅機構、司機室及電氣控制系統(tǒng)等組成。吊機總

7、功率：209kw，總重為180t。（見圖4）。(2)、主要技術性能參數(shù)主鉤最大起重量：臂長55m時80t 臂長44m時120t最大起升高度：吊機安裝平臺以上49m（55m臂長狀態(tài)時，安裝平臺 至鉤底距離）。 吊機安裝平臺以下 22m（鉤底至水面標高）變幅角度：35°78.6°轉盤回轉范圍：±95°(3)、錨固體系吊機共有三個錨固點(見下圖5)，第一點（O點）是直接將立柱支座焊在基礎上，基礎最大支承力為壓力540t；第二、三點（A、B點）分別位于底盤的兩根主梁上距立柱中心24m處，錨固支座與水面平臺焊接固聯(lián)。兩處支承力最大拉力為210t，最大壓力為200t

8、。2、設計條件分析 根據(jù)方案二介紹的體系結構，作用于連接支架的外力主要有兩類，第一類，直接作用于支架上的吊機支反力。第二類，作用于每個駁船上的波浪力，通過船體發(fā)生相對位移而傳遞給連接支架的荷載。所以連接支架的內力計算可分成兩部分，即由吊機的支反力產(chǎn)生的內力計算和波浪力產(chǎn)生的內力計算。對于第一類荷載，可將吊機吊機靜置于靜水中，按桁架結構對連接支架進行內力計算。因此、本吊機設計條件分析重點在于波浪力的分析、計算。現(xiàn)將波浪力作用下連接支架的受力情況作如下分析： (1)、波長大于船長 根據(jù)船舶強度結構設計中波浪附加彎矩計算所述，在一定的裝載狀態(tài)下船舶的重量分布是一定的，船體梁荷載的改變將完全取決于波浪

9、要素以及船舶與波浪的相對位置，而船體彎矩與剪力又是荷載的積分，因此，可以說船體彎矩與剪力的改變是完全取決于波浪要素以及船舶與波浪的相對位置。在波高一定的情況下，當波長等于船長，波速與船速相同時，對船體的受力最為不利。現(xiàn)取波長等于兩駁船的寬度34m對支架的受力進行分析。 波浪前進方向與船體垂直將船體靜置波浪時，連接支架跨中彎矩最大，如(圖6)船體處于橫浪中，一個駁船位于波峰，另一個駁船位于波谷；按半脫水狀態(tài)確定橫向彎曲荷載，此時連接支架處于最大總橫彎曲狀態(tài)。處于波谷的駁船由于浮力的減小，假設有半個駁船的重量施加于連接支架的立柱上，則最大彎矩等于一側駁船中心到另一駁船內側距離乘以半個船舶的重量。連

10、接支架的彎矩計算公式如下：Mb =L×/4=16×1069÷4=4276 t.m式中：L兩駁船間距 吊重狀態(tài)下總排水量 波浪前進方向與船體斜交將船體正浮與斜浪上，一個駁船船艏位于波峰，船艉位于波谷，另一個駁船船艏處于波谷，船艉處于波峰，此時連接支架受到的扭矩最大。如（圖7）所示，假設兩駁船橫向浸沒寬度相等，且等于船體中剖面的浸沒深度。連接支架的扭矩計算公式如下：MT =0.1CALs/d=0.1×1×1069×0.75×47÷1.89=1993.7 t.m式中：C修正系數(shù)，按表2取值 吊重狀態(tài)下總排水量 A半波高

11、Ls水線長 D吃水表2 修正系數(shù)C取值表水面線系數(shù)10.950.900.850.800.750.700.65修正系數(shù)C10.880.790.670.620.540.480.43注：相鄰數(shù)值安內插法計算 (2)、波長小于船長 當波長小于船長時，根據(jù)上述所說船體的彎矩和剪力的改變完全取決于波浪要素和船舶與波浪的相對位置。由于天興洲大橋處于內河B航區(qū)，依據(jù)我國內河各航區(qū)的波浪要素表如（表3）所列，分別取波長為15.0、10.0、8.0m，波高為1.5m來分析船舶處于波浪中的不同位置時，波浪對連接支架受力的影響。 表3 我國內河各航區(qū)波浪要素表航區(qū)ABC×h30×2.5m15

12、15;1.5mH=0.5m 在波浪要素一定的情況下，彎矩和剪力的改變則完全取決于船舶和波浪的相對位置，現(xiàn)根據(jù)兩駁船在波浪中的不同位置，根據(jù)波形位置布置圖對在波浪力作用下的支架受力情況作如下定性分析： 波高1.5m，波長15.0ma. 船體受橫波作用，出現(xiàn)內傾或外傾此工況下將船體靜置于波浪上，波浪前進方向與船體軸線方向垂直，從波形位置圖可看出船體與波浪的相對位置可出現(xiàn)兩種情況。第一工況兩駁船外舷同時位于波谷，內舷同時位于波峰，此工況下兩駁船有向內傾的趨勢；第二工況兩駁船外舷同時處于波峰，內舷同時與波谷，兩駁船有向外傾的趨勢。在以上兩種工況下支架處于全彎曲變形，連接支架受彎矩作用。連接支架彎矩計算

13、公式如下：Mb=CAB2Ls/4=1.0×0.75×122×47÷4=1269.0 t.m式中：C修正系數(shù)，按表2取值 A半波高 B型寬Ls水線長 （加彎矩計算簡圖） b 船體受橫波作用，一側駁船出現(xiàn)半脫空 此工況下將船體靜置于波浪上，一側船體中剖面處于波谷上，另一側船體中剖面處于波峰上，此時一側船體出現(xiàn)半脫空狀態(tài)，連接支架處于全彎曲變形，連接支架受彎矩作用。假設駁船因脫空而減少的浮力作為外荷載施加于連接支架的立柱上，則最大彎矩等于一側駁船中心到另一駁船內側距離乘以船舶因脫空而減少的浮力，連接支架彎矩計算公式如下： Mb=1163.2 t.m式中：C修正

14、系數(shù)，按表2取值 A半波高 B型寬Ls水線長L兩駁船間距（加彎矩計算簡圖） C 船體受斜波作用，船體受扭矩作用 將船體靜置于波浪上，同時船體與波浪存在一夾角，將此夾角從零度增加到90度，經(jīng)過分析比較當波形前進方向與兩駁船對角線方向一致時，波浪對支架的作用最不利。假設駁船橫斷面上的浸沒均相等，且等于中剖面的浸沒深度。在計算浮力的變化量時將坦谷波近似成方波進行計算，則波浪對連接支架產(chǎn)生的扭矩等于船體范圍內各波峰或波谷于船體所圍的體積對船體中心取矩之和。連接支架扭矩計算公式如下： MT=CaA=1.0×0.75×(23.0××15.5+141.8×5

15、.0-141.8×6.7+112.1×16.5-15.3×21.2)=-143 t.m式中：C修正系數(shù)，按表2取值 A半波高 Si波形與船體在平均吃水線處的剖面面積，波峰處為正，波谷處為負Li剖面中心到船體中心的距離 波高1.5m，波長分別為10.0m和8.0m 當波長為10.0m，船體受橫波作用時兩駁船只有一側的船體會出現(xiàn)內傾或外傾，這兩種狀態(tài)下波浪對連接支架產(chǎn)生彎矩的作用，并且彎矩小于波長為15.0m的狀態(tài)；船體受斜波作用時，船體兩端由波浪引起的浮力改變量已基本相同，在這種狀態(tài)下波浪力對連接支架的受力影響已較小。當波長為8.0m，且受橫波作用時根據(jù)波形與船體的

16、相對位置進行分析，在波浪作用下一個船體的浸沒面積相對于另一個船體只多了一個波峰值，此時波浪力對連接支架的作用遠小于波長為15.0m時狀態(tài)。當船體斜置于波浪上時波浪力對連接支架的影響可以乎略不計。 根據(jù)上述分析結果，可看出在波高一定的狀態(tài)下，波長的長短對桅桿吊機連接支架的受力有著顯著的影響。尤其是當波長等于船長，且波速等與船速的情況下，波浪力對桅桿吊機連接支架的作用最為不利。因此，在連接支架設計計算中是否采用這種計算模型至關重要?？紤]WD120桅桿吊機的作業(yè)環(huán)境，在3#墩處位于圍堰與堤岸之間，桅桿吊機前有著巨大的圍堰進行阻擋，波浪已基本被圍堰抵消了，可不考慮波浪對桅桿吊機連接支架的作用。在2#墩

17、處桅桿吊機位于主河道側，連接支架受波浪力的作用較3#墩處大，但天興洲大橋地處我國內河B航區(qū)，橋位處江面較窄，2#墩墩位靠近天興洲，河床標高較高，因此在吊機的作業(yè)環(huán)境內很難出現(xiàn)波長大于船長的情況，且本吊機不出港作業(yè)。綜合以上各因素，本吊機連接支架強度計算主要考慮為靜水中強度計算，內河B航區(qū)的波浪要素作為連接支架的強度檢算條件。3、設計假定 (1)、不考慮吊機底縱梁對支架一、二之間的相互影響。支架三不參與受力計算。 (2)、兩駁船當成剛性體，計算是忽略了由于載荷的作用而產(chǎn)生的變形，在任何荷載作用下，同一個駁船上連接支架于船體的連接點仍在同一平面上。 (3)、水浮力作為彈性支承考慮，彈性系數(shù)k=；

18、式中：C修正系數(shù)，按表2取值 n所加彈性支承數(shù)量 B型寬Ls水線長五、WD120桅桿吊機支架結構設計 根據(jù)WD120桅桿吊機的結構特點，本桅桿吊機支架結構設計共分四部分，即連接支架設計、前支腿支承分配梁設計、后支腿錨固分配梁設計和立柱與船體連接節(jié)點設計，其中連接支架的設計是本吊機支架結構設計的重點也是難點。1、 連接支架設計(1)、連接支架總體布置 本吊機的連接支架分三種類型，支架三布置在駁船首尾的隔艙板處，距駁船首尾的距離為4.5m左右，支架通過反扣的H6號萬能桿件與駁船甲板直接焊接連接，將兩駁船連接成為一體。為支架一、二的拼裝提供一個穩(wěn)定的拼裝平臺，同時還可起到約束兩駁船間距的變化。支架二

19、用于連接吊機后錨固點，支架布置在駁船靠尾部的隔艙板處，以減少船體加固的工程量。支架一為吊機前支點的支承支架，靠近駁船船首與支架二之間的中心距離為17m。 (2)、連接支架內力計算 結構內力計算采用空間有限元進行分析計算，連接支架和船體分別用桿系單元和板殼單元進行模擬。根據(jù)浮力的特點將水浮力按彈性支承考慮，每個駁船分別施加63個彈性支座，彈性系數(shù)k= t/m。 駁船在靜水中的支架內力計算 只考慮吊機在各種工況下最不利的兩個工況進行受力分析，前支點的支反力通過支承分配梁進行分配，最終按六個90噸的集中力分別施加于支架一與吊機連接點的六個節(jié)點上。后支點的支反力通過錨固分配梁進行分配，拉力按每個節(jié)點7

20、0噸，壓力按每個節(jié)點67噸分別作用于吊機后支點與支架二的連接點上。 工況1：吊臂沿船長方向，前支點施加540噸壓力，后支點分別施加210噸拉力。工況2：吊臂沿船寬方向，前支點施加540噸壓力，后支點分別施加210噸拉力和200壓力。工況3：吊機不工作，船體只受波浪力作用，連接支架受最大彎矩4200t.m。加載情況：約束一個駁船的六個自由度，另一個駁船將自由度均釋放，同時在這駁船上施加262.5噸的豎向荷載。此工況用于計算在已知支架的情況下，支架能承受的最大彎矩。 工況4：吊機不工作，船體只受波浪力作用，連接支架受最大扭矩1600t.m。加載情況：約束一個駁船的六個自由度，另一個駁船將自由度均釋

21、放，同時在這駁船中軸線上施加1600t.m的扭矩。此工況用于計算在已知支架的情況下，支架能承受的最大扭矩。 在工況2下連接支架軸力圖見下圖。工況2連接支架桿件軸力圖 注：圖中黃色表示受拉力，紅色表示受壓力。 駁船在波浪中的內力計算 駁船在波浪中的受力計算，是從設計條件分析結構出發(fā)的，把駁船分別受橫波和斜波的作用力作為連接支架的附加外力施工于船體上，只考慮內河B航區(qū)所能出的波浪要素對支架強度進行檢算，計算工況如下： 工況5：工況1+彎矩，彎矩按內河B航區(qū)最大波浪要素計算，彎矩值為1269t.m。 工況6：工況1+扭矩，扭矩按內河B航區(qū)最大波浪要素計算，扭矩值為143t.m。加載情況：前支點施加5

22、40噸壓力，后支點分別施加210噸拉力，一個駁船軸線上加143t.m的扭矩。 工況7：工況2+彎矩。加載情況：前支點施加540噸壓力，后支點分別施加拉力210噸，壓力200噸。一個駁船中軸線上施加79.3噸的豎向荷載。 工況8：工況2+扭矩。加載情況：前支點施加540噸壓力，后支點分別施加拉力210噸，壓力200噸。一個駁船中軸線上加143t.m的扭矩。 以上個工況下支架桿件內力結果見下表： 表4 支架桿件內力表支 架工 況水平桿豎 桿斜 桿拉力壓力拉力壓力拉力壓力支架一工況193.0113.06.037.045.972.3工況276.597.110.5119.660.083.1工況380.1

23、56.045.2135.143.071.5工況435.525.4112.2127.643.741.9工況593.0113.32.233.745.674.6工況687.9111.55.837.345.474.8工況765.677.039.4125.060.983.4工況869.087.339.9125.661.283.6支架二工況140.763.342.010.051.727.2工況223.526.960.557.837.628.8工況380.156.045.2135.143.071.5工況435.525.4112.2127.643.741.9工況543.058.140.012.957.127.

24、5工況641.063.744.010.054.327.2工況723.427.758.957.736.828.6工況823.928.465.987.635.728.5 在連接支架的整個計算過程中，船體是當作剛性體考慮，而未考慮船體的總縱強度和局部強度，船體的總縱強度和局部強度以及桅桿吊機的穩(wěn)性另行計算。2、 WD120桅桿吊機與支架的連接設計桅桿吊機的前支點為球鉸底座結構，直接與基礎焊接連接，底座最大壓力為540噸，底座平面尺寸為1960mm×1960mm；后錨支座為Q345鋼板焊接結構，后錨支座與支架二之間的夾角為45度，支座的最大拉力210噸，最大壓力200噸。因為連接支架采用H型

25、萬能桿件拼裝而成，支架單個節(jié)點所能承受的集中荷載很有限，如何將桅桿吊機的集中支承反力平均分配到多個節(jié)點上，是吊機與支架連接設計的關鍵點。因此，連接分配梁的設計須根據(jù)吊機錨固結構的結構形式和受力情況進行設計。 (1)、前支點支承分配梁設計 采用三層分配梁將底座的540噸壓力最后平均分配到支架的六個節(jié)點上，每個節(jié)點為90噸的豎向集中荷載。第一、二層分配梁為簡支架構，第三層為兩跨等跨連續(xù)梁結構；第一層與第二、三層垂直布置，第二層與第三層平行布置，同時第二、三層之間連接點的設置必須能保證第三層分配梁（分配梁一）的支座反力相等。前支點的支承分配梁布置見下圖：（圖） (2)、后支點錨固分配梁設計 后錨固支