超大直徑頂管管材吊裝設備研究與應用

陳 偉

(上海城建市政工程(集團)有限公司，上海 200065)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化進程的加速發(fā)展，地下空間的非開挖技術越來越受到人們的重視，頂管作為繼盾構之后發(fā)展起來的一種非開挖施工技術，它具有施工周期短，綜合成本低和社會效益顯著等優(yōu)點。頂管技術發(fā)展迅速，無論在理論上還是施工工藝上，都有了飛速的發(fā)展，為適應各類管道工程的需要，頂管直徑趨于多樣化，目前頂管最小直徑僅有75 mm，最大直徑已達5 m(德國)，超大直徑頂管已有取代小型盾構的趨勢。同時，單程頂進距離也越來越長，因此超大口徑、長距離頂管施工技術的研究顯得尤為重要。

本文依托上海市白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程南線東段輸送干管工程，其為DN4 000超大口徑長距離混凝土頂管工程。以項目實施過程中的大直徑頂管管材的吊裝難題為導向，針對管材的特點，詳細論述了吊裝翻轉設備的設計思路、設備的CAE分析結果和設備的應用情況。為今后超大直徑長距離頂管隧道的施工提供理論指導和依據(jù)，完善頂管隧道工程的細部設計理論，促進頂管隧道工程向廣泛性、系統(tǒng)性、學科性發(fā)展。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程采用φ4 000鋼筋混凝土管，總長度52 km，是目前世界上最大直徑的頂管項目。

頂管采用DN4 000 F型鋼筋混凝土管，混凝土強度等級為C50。接口型式為鋼承口式柔性接口，管內徑為4 000 mm，管外徑為4 640 mm，管節(jié)有效長度為2 500 mm，管壁厚為320 mm。管片在預制廠采用特制鋼模澆筑，一次成形，單節(jié)管片重約55 t。

2 存在的問題

參考以往案例，大口徑管起吊時采用無動力的橫擔式專用吊具。管子翻轉時利用行車副鉤動力，用掛鉤鉤住管子下端，輕輕提升副鉤，緩慢翻轉，翻轉超過90°后掛鉤自動脫開。有時為了翻轉方便，利用吊點與重心不重合，在重力作用下完成管材翻轉。

這種翻轉方式往往存在一些隱患。如管材翻轉時有時翻轉速度太快，由于管材自身重量太大，慣性產生額外沖量，降低吊具安全性能，容易發(fā)生事故。另外，在生產單位完成管材翻轉相對容易些，但管材運至施工現(xiàn)場后需將管材再次翻轉90°，施工單位無法利用吊點與重心不重合原理翻轉管材，該原理反而阻礙管材的翻轉，使得管材翻轉成為施工現(xiàn)場一難題。

3 管材吊運設備結構研究

根據(jù)翻轉過程中存在的安全問題以及施工現(xiàn)場管材翻轉問題，針對此次工程，專門設計了一套“專用吊裝翻管吊具”。該吊具由橫擔式吊架、吊索、吊臂動力端和吊臂被動端組成。吊臂動力端和吊臂被動端可以通過螺栓與吊裝孔連接。防止吊裝翻轉過程中吊臂從吊裝孔中脫離。

操作工可以通過拉動鏈輪的快慢控制管材的翻轉速度。翻轉吊臂動力端內的蝸輪蝸桿組件的自鎖特性可以保持管材翻轉的角度，管材可以在任意角度狀態(tài)下保持停頓。從而使起吊翻轉管材平穩(wěn)、安全、可靠。

根據(jù)上述介紹，混凝土管翻轉機構的設計需要滿足以下要求：

模型數(shù)據(jù)庫采用標準的三層體系結構，由數(shù)據(jù)層、中間邏輯實現(xiàn)層（事務層）和應用層（表示層）組成，如圖3所示。

1)由于施工場所環(huán)境較差，且防止混凝土管在吊裝時晃動，因此翻轉機構不適合采用柔性繩；

2)由于混凝土管質量很大，且質心較高，為了確保施工安全，翻轉速度必須很低；

3)盡可能降低翻轉機構的重量及制造成本，同時需要考慮施工便利性。

根據(jù)上述的設計要求，設計翻轉機構，結構如圖1所示。

考慮到便利性及經濟性，故將翻轉機構設計由人工手動驅動。如圖1所示，在吊起混凝土管后操作工人拉動右端鏈條8，驅動減速器帶動混凝土管旋轉，即可翻轉混凝土管。由于翻轉機構是剛性而非柔性機構，因此需要通過調節(jié)兩吊臂間的間距，故需將被動臂做成可調節(jié)的(見圖1)，被動臂通過滾動輪支撐在主動端裝配總成上，同時被動臂上裝有伸縮驅動機構，這樣即可以通過手動拉左端的鏈條來調整被動臂與主動臂間的間距。下面介紹各主要組成結構件。

3.1 被動臂總成

被動臂上端通過兩對深溝球軸承支撐在主動臂總成上面，下端設有插入混凝土管中間吊孔的軸，結構如圖2所示。

由于主動端安裝有旋轉混凝土管的裝置，故為了使得左右臂重量均衡，需要在被動臂上安裝配重塊，圖1中與被動端吊裝結構相連接的圓柱即為配重塊。

3.2 主動端裝配總成

主動端裝配總成主要由主動端橫梁和蝸輪蝸桿減速器組成。

由于混凝土管質量較大，因此在翻轉時必須保證整個翻轉過程比較緩慢，以防止速度過大，混凝土管瞬間旋轉帶來巨大的加速度，可能導致整個吊裝過程晃動很大，使得混凝土管吊裝孔出現(xiàn)破裂現(xiàn)象等不可預知事故的發(fā)生，為了確保施工安全，翻轉機構需要具有自鎖功能，蝸輪蝸桿具有很好的自鎖功能，本設計采用該原理來設計。圖3為蝸輪蝸桿減速器的三維模型圖。

4 管材吊運設備CAE分析

為了驗證本設計模型是否具有足夠的強度保證施工安全，故需要對模型進行必要的CAE分析。

4.1 計算模型

4.1.1單元格劃分

有限元模型六面體劃分，單元基本尺寸為20 mm，有限元模型如圖4所示。

4.1.2材料屬性

材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4.1.3邊界條件確定

翻轉機構邊界條件如圖5所示，混凝土管的質量約為60 t，故翻轉機構每個支撐軸承載300 kN的力，支撐軸伸出端插入混凝土管的吊裝孔內，呈懸臂梁結構受力形式。

4.2 各主要結構件CAE分析

4.2.1主動臂橫梁

主動臂橫梁的主要部件的應力應變的CAE計算結果如圖6～圖8所示。從圖中可以看到，在吊起質量為60 t的混凝土管時，主動臂橫梁的最大應變?yōu)?4.29 mm，最大應力為259 MPa，最小安全系數(shù)為1.33。吊耳受到的最大應力為172.3 MPa，最小安全系數(shù)為2。根據(jù)計算結構可知，各主要結構部分受應力均比材料的屈服強度小很多。

4.2.2被動臂

由于支撐軸為懸臂梁結構，所以吊裝時被動臂在x方向上有應變，如圖9所示，根據(jù)計算結果得x向最大位移為10.23 mm，此時被動臂與z軸的夾角為0.18°，在設計允許范圍內。

4.2.3被動端支撐軸

被動端支撐結構如圖10所示。通過CAE計算，可得該結構最大應力為226.7 MPa，在設計允許范圍內(見圖11)。

4.2.4主動端支撐軸

主動端支撐結構如圖12所示。通過CAE計算，可得該結構最大應力為186.4 MPa，在設計允許范圍內(見圖13)。

4.2.5被動臂調節(jié)軸

被動臂調節(jié)軸如圖14所示。通過CAE計算，可得該結構最大應力為77.8 MPa，在設計允許范圍內(見圖15)。

5 結語

根據(jù)起吊大口徑管的經驗，大口徑管起吊時采用無動力的橫擔式專用吊具，這種翻轉方式往往存在一些隱患，如管材翻轉時有時翻轉速度太快，由于管材自身重量太大，慣性產生額外沖量，降低吊具安全性能，容易發(fā)生事故。針對該工程，設計了一套專用吊裝翻管吊具，由橫擔式吊架、吊索、吊臂動力端和吊臂被動端組成。通過對吊具進行三維建模、運動學力學仿真分析、輕量化設計、樣機試制運行，一改、二該、定型，效果非常好。專用吊具的使用使得起吊翻轉管材更加平穩(wěn)、安全、可靠。

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