淺談壓力鋼管洞內(nèi)吊運設(shè)施的設(shè)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(fù)雜施工條件有限空間內(nèi)的起重及牽引運輸工作，卷揚機系統(tǒng)布置靈活、環(huán)境適應(yīng)性強等,尤其是在水電施工中的輸水系統(tǒng)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(jié)構(gòu)采用壓力鋼管承擔輸水任務(wù)。鋼管運輸單元重量大、體積大，卷揚機系統(tǒng)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(tǒng)簡介

卷揚機系統(tǒng)，一般來說包括以下內(nèi)容：卷揚機、滑輪組、鋼絲繩、吊耳等。作為鋼管的吊運系統(tǒng)使重物發(fā)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?；喗M分為定滑輪組、動滑輪組、導(dǎo)向滑輪。

在布置設(shè)計過程中以物重為計算基礎(chǔ)，整個吊運系統(tǒng)的布置設(shè)計順序為：參數(shù)分析→受力分析→臺車設(shè)計→軌道設(shè)計→吊耳設(shè)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(guān)影響因數(shù)

為滿足施工現(xiàn)場要求，相應(yīng)的鋼管洞內(nèi)吊運系統(tǒng)設(shè)計之前首先應(yīng)明確以下內(nèi)容：鋼管的運輸路線（以確定鋼管制作最大尺寸、是否組大節(jié)、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(shè)備是否多個工作面共享以及相關(guān)的設(shè)備投入），相鄰作業(yè)面的影響情況（明確設(shè)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(shè)備選擇），斜井長度、角度（決定設(shè)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(shè)施的布置設(shè)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(nèi)管壁吊耳，用作鋼管內(nèi)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(cè)的鎖定掉耳。吊耳的型式多為板式吊耳，材質(zhì)根據(jù)規(guī)范要求選用于鋼管管壁同材質(zhì)或相容的材質(zhì)。

主要校核過程首先根據(jù)實際受力狀態(tài)分析受力情況，校核參數(shù)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(shù)k；角焊縫系數(shù)0.7；吊耳板許用拉應(yīng)力、許用剪應(yīng)力；動載綜合系數(shù)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(jù)以上參數(shù)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(yīng)力：σL=FL/(t（2R-D））；最大剪應(yīng)力：τL=σL；角焊縫面積：A=2*(L*tan0°+R)*t；角焊縫拉應(yīng)力：σf=FV/A；角焊縫剪應(yīng)力：τf=FH/A；角焊縫彎曲應(yīng)力：σw=6M/｛t[2(L*tan0+R)]2｝；組合應(yīng)力。

3.2 鋼絲繩，作為主要起重吊運設(shè)置，鋼絲繩需要嚴格按符合規(guī)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(jù)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(shù)選擇，吊索張開角度不應(yīng)大于120°，應(yīng)盡量選擇張角不大于90°，吊索安全系數(shù)最小值為6，當用吊索直接捆綁重物時吊索與棱角間應(yīng)妥善保護，安全系數(shù)取6-8，起吊重大物品時安全系數(shù)應(yīng)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(yīng)為滑輪組的跑頭拉力，其計算方法應(yīng)考慮滑輪組的省力系數(shù)及計算載荷，滑輪組的省力系數(shù)根據(jù)滑輪組倍率、導(dǎo)向滑輪數(shù)量以及滑輪軸承型號不同，同倍率情況下，導(dǎo)向滑輪數(shù)量越多、軸承摩擦系數(shù)越大則滑輪組省力系數(shù)越大，鋼絲繩跑頭拉力越大。為減小鋼絲繩直徑應(yīng)減少導(dǎo)向滑輪數(shù)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(shù)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(shù)取1.1，當速度大時動載系數(shù)不大于1.9。同時計算機構(gòu)的工作級別，取安全系數(shù)要求較大者進行鋼絲繩的選擇。

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

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(yīng)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(fù)雜，應(yīng)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(jié)安裝位置。

舉例說明，根據(jù)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(jié)溜放鋼管至下彎段安裝位置時；根據(jù)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(yīng)為鋼管直徑的0.5-0.6倍，軌道的驗算應(yīng)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(yīng)該進行耐磨考慮。臺車的摩擦力應(yīng)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(yīng)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(tài)還應(yīng)考慮滑輪組的效率系數(shù)，通常會遠大于溜放受力狀態(tài)。

4 結(jié)論

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