托管架前部运输机整体吊装方法

张文耀，张少雄

(1.交通运输部广州打捞局 海洋工程处，广州 510260；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

托管架前部运输机整体吊装方法

张文耀1，张少雄2

(1.交通运输部广州打捞局 海洋工程处，广州 510260；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

摘要：针对需要在空中完成倾斜7°的特定用途大型结构物吊装作业，通过设计合理的索具形式，选取合适的浮吊船，制定可行的吊装方案；着重考虑倾斜前后2种工况，对吊点及主钩载荷进行计算和分析评估，确定吊装方案是安全可靠的。

关键词：重件吊装；浮吊船；安全系数；索具布置

随着海洋装备制造业快速发展，海上结构物逐渐趋向大型化。在海洋工程施工中，越来越多的使用大吨位浮吊船对海上结构物进行整体吊装。考虑海上风浪环境因素的影响，海上大型结构物吊装通常按照GL Noble Denton的相关规范[1]，考虑足够的安全系数，这样对浮吊船起重能力、索具布置形式提出了较高的要求。

对于被吊物需要在空中完成倾斜或翻转的吊装作业，以往多采用多台起重机进行联合起吊作业。但是，通过采取合理的索具布置，可实现单艘浮吊船对大型结构物进行空中翻转作业。本文以某大型模块海上吊装工程为实例，介绍吊装方案的选取，并分析吊装过程中的受力情况，对整个吊装体系进行评估，确保吊装施工的安全。

1工程概况

托管架前部运输机(stinger transition frame，STF)为国外某大型起重铺管船的分段模块。该分段模块在国内船厂陆地码头建造，需要整体吊装至驳船，并由驳船运输至母船安装。

该钢结构分段重量约1 583 t，长×宽×高为67 m×42 m×22 m。分段在陆地胎架上水平建造，结构物重心距离地面12.5 m，需尾倾7°后方能放置于运输驳船。施工中使用3 200 t浮吊船将模块整体吊装至运输驳船。STF在陆地胎架上建造示意见图1，STF吊装至运输驳船最终位置示意见图2。

图1　STF 陆地胎架建造示意

图2　STF吊装至运输驳船最终位置示意

2吊装难点

2.1浮吊船选取

STF为海洋工程船因特定用途而制作的分段模块，结构特殊，外形细长，内部为中空结构。船体外壳钢板厚度仅10 mm，船体骨材较小，未设置横舱壁，而分段内部舾装件较多，使得分段自身重量较大。

分段整体吊装对其结构强度有较高要求。为尽可能地减少STF吊装过程中的变形，在其顶部甲板40 m×12 m矩形范围内布置共16个吊点，其中左右两舷各8个吊点，STF吊点布置见图3。

本次吊点布置数量较多，纵向跨度较大，使得吊装难度增大。同时，STF艏艉、左右均为非对称结构，重心并未在几何中心，偏向于左舷、船尾。

图3　STF吊点布置(单位：m)

对于浮吊船的选取，若选用单钩或多钩单扒杆浮吊船，因STF艏艉吊点跨度较大，需要制作大型专用吊梁，这样吊装费用将大幅增加，并延误施工工期。若选用双钩或多钩双扒杆浮吊船，因STF重心偏于左舷及船艉，需要校核其单钩的起吊能力是否满足要求。另外，对于被吊物需要进行空中倾斜的吊装作业，双扒杆浮吊船扒杆间距离与STF艏艉中心吊点间距的匹配程度也成为本次吊装的考虑因素。

同时，STF陆地建造位置距离码头为37 m，所选用浮吊船需要核算其跨距是否满足本次吊装作业。同时考虑港口码头吊装由于风、浪、流等不确定因素影响而附加的动载荷因数，且被吊物自身重量较大，因此需要选用起吊能力大于被吊物自身重量的大吨位浮吊船。

如上所述，对于本次STF吊装作业，由于诸多限制，浮吊船的可供选择范围大幅缩小。考虑本着就近原则，避免高额的调遣费用，但周边地区该类型浮吊船作业窗口紧张，使得选择合适的浮吊船并按期完成本次吊装作业难度增大。

2.2空中倾斜7°

STF在陆地水平建造，由于首部向下延伸出两条支撑腿，STF水平起吊后，需要在空中完成7°的倾斜后方能平稳放置于运输驳船。对于重大型结构物吊装，在空中完成指定旋转动作，需要对浮吊船自身吊重能力、吊点结构形式、索具布置形式等多方面进行严格的考核。同时，对起重机操作人员的操控能力也提出较高要求。

3吊装方案

3.1主要设计思路

根据STF自身重量，在考虑安全系数后，初步选定具备足够起重能力的浮吊船。考察STF吊点布置，即吊点数量、吊点间距，以及浮吊船的吊钩间距以确定索具布置形式。根据索具的布置形式，计算出每条索具的受力值，从而确定需要选取的索具规格。由于STF起吊后需要在空中进行倾斜，索具的布置应确保STF可完成指定的动作，同时相应的安全系数将增加。这几者之间为相辅相承的关系，其中一项的变动往往引起吊装系统全局的变动。因此浮吊船的选取，安全系数的选取，索具以及索具布置形式均需要反复修改验证，进而确定最终方案。

3.2吊装方案制定

对于本次吊装方案的选取，重点考虑STF起吊后能于空中顺利完成指定的倾斜动作。相较于以往大型重件吊装，被吊物在起吊后直至安装过程中姿态维持不变，本次吊装属于较为特殊情况，因此对于索具的布置形式提出了严峻的考验。

本次吊装中共采用12个350 t双轮平衡滑车将吊点与主钩间的钢丝绳上下走通，使各钢丝绳受力均匀，并确保STF起吊后在空中顺利完成倾斜。每个主钩下布置3个350 t平衡滑车，吊点之间两两走通，滑轮与滑轮之间互相走通。索具的布置形式见图4。

图4　索具布置形式

4安全系数

对于海上起吊作业，参照GL Noble Denton Guidelines for Marine Lifting Operations, Rev.10, 22 Jun 13(以下简称《规范》)选取相应的安全系数。

4.1重量风险系数

在海洋工程施工中，重量控制等级分为A、B、C三类。A类结构物需要对主要组件进行详细的物理称重确定其重量、重心。B类及C类结构物主要组件可根据构件的尺寸计算或者使用计算机软件估算其重量、重心。

依据规范，对于A类结构物吊装，最小重量风险系数应取1.03，对于B类及C类结构物吊装，其对应的最小风险系数应取1.1。

由于STF重量依据其构件尺寸计算所得，未进行物理称重，因此，本次吊装重量风险系数取1.1。

4.2重心非精确系数

STF重心位置可依据STF各构件的尺寸及位置估算得出。STF重心位置并未在结构物的几何中心，且本次吊装过程中，STF需要倾斜7°，造成吊点在不同的高度上。

依据规范，对于吊点位于不同水平面上的情形，吊装重量应当考虑重心包络线。若采用重心包络线，则应增加附加系数1.03来考虑重心位置的最终偏差。如果不采用重心包络线，则须把重心非精确系数1.1用于重量计算。

本次吊装重心非精确系数取1.1。

4.3动力放大系数

依据规范，对于单台起重机在空气中的起吊作业而言，动力放大系数(DAF)见表1。

表1　空气中的动力放大系数

本次吊装重量在1 000～2 500 t之间，采用单浮吊船吊装，且为近岸浮式、移动作业，因此本次吊装动力放大系数取1.05。

4.4不匹配荷载系数

不匹配载荷系数(SKL)是一种载荷分配系数，依据吊索长度制造公差、索具布置和几何形态、起吊点的装配公差及吊索伸长率，对于非100%完全静定的所有索具布置和起吊物都应考虑。

依据规范，如果吊索长度误差并不会明显影响到载荷空间方位角或起吊系统的几何形态的话，对于静定起吊作业，SKL系数可为1.0。根据STF的索具布置可知，每条吊索均通过滑轮走通，即吊索通过滑轮的转动达到受力均衡，整个吊装系统组成为静定体系，吊索的长度误差并不会明显影响到吊索系统的几何形态。

由于STF吊装为4钩起吊作业，根据《规范》，对于多钩起吊作业，若吊钩高度为分别给予控制，而且对吊索长度公差、索具的布置和起重作业程序进行综合评估后，可以取较低的SKL系数。

因执行本次起重作业的浮吊船为4钩独立控制，而且起重作业严格按照规定程序施工，本次吊装索具长度公差在许用范围内，索具布置合理，因此本次吊装SKL系数取1.0。

4.5双钩起吊系数

根据《规范》，对于多钩起吊作业，且起吊作业在固定起重臂(非回转)作业形式下时，每一吊钩的单一总重量须乘以下述系数，以顾及因起重机吊钩高度公差所增加的载荷。

重心偏移系数=1.015。

倾角系数=1.015。

艏摇系数=1.0。

本次吊装符合上述情形，双钩起吊系数选取上述值。

综上所述，对于本次STF吊装，所选取安全系数见表2。

表2　安全系数(Safety Factors)

由表2所述，本次吊装最终安全系数=1.1×1.1×1.05×1.0×1.015×1.0×1.015=1.31。因此在计及各安全系数情况下，本次吊装总重量计算如下。

吊装总重量=(1 583+76)×1.31=2 173 t，其中索具重量76 t。

5吊装分析

5.1吊装工况

本次吊装分析主要考虑2种吊装工况，即水平起吊状态和倾斜7°状态。

STF由水平状态旋转至倾斜7°后，吊索具的形态产生变化，相应索具受力会发生改变，各吊点的受力也随着变化。STF在倾斜过程中，浮吊船各主钩载荷将随着STF的旋转而逐渐改变，处于上升状态的主钩的载荷将逐渐上升，而相对处于下降状态的主钩的载荷逐渐下降，直至STF转动至最终状态，浮吊船各主钩载荷稳定下来。因此本次吊装着重考虑STF旋转初始及结束2种状态下各吊点、各主钩的受力状况。

STF结构物的重心并未在几何中心，浮吊船各个主钩的受力在单一工况下并不相同，同时STF非走通吊点间的受力也会不同。选取上述2种工况分别进行载荷计算，并对2种工况下STF吊点和浮吊船主钩载荷进行评估。

5.2载荷分析

STF在水平及倾斜7° 2种情况下，依据重心的相对位置、钢丝绳与水平面间的夹角，根据力的平衡方程计算出各吊点及主钩的载荷[2]。2种状况下各吊点处钢丝绳与水平面的夹角见图5。

在计及各安全系数情况下，计算出各吊点的受力值，具体见图6。

由图6可见，2种工况下，吊点受力最大为1 717 kN，受力较大的吊点位于船体左舷。STF的吊点设计额定载荷为2 000 kN，上述各吊点受力值均在允许范围内。根据吊点受力情况可合理布置卸扣，在相应4个吊点(编号为3、4、5、6)布置175 t卸扣，而其余吊点布置150 t卸扣[3]。

图5　钢丝绳夹角

图6　2 STF各吊点受力

在计及各安全系数情况下，浮吊船各主钩受力见图7。

图7　浮吊船各主钩受力

本次吊装使用的浮吊船在指定的跨距下每个主钩额定吊力为6 700 kN。由图7可知，在计及各安全系数情况下，各主钩吊力仍有部分富裕，浮吊船在设计的安全作业工况下施工[4]。因此本次吊装方案设计是安全可行的。

STF吊装现场见图8。

图8　现场吊装

在实际施工中，起重作业严格按照施工方案实施，浮吊船各动作指令均由经验丰富的指挥人员发出，并严格执行，安排专人监督。现场吊装过程中，各主钩吊重较上述计算值偏小，整个吊装系统偏于安全。

6结论

STF整体吊装的索具布置通过使用双轮平衡滑车将吊钩下的各钢丝绳走通，使得每个吊钩下索具形成独立的力平衡体系，这样整个吊装系统受索具长度公差及吊点高度差的影响较小，这种索具布置形式适合多吊点结构物的吊装；同时，这种索具布置形式也解决了结构物需在空中旋转的难题。STF吊装计算中关于安全系数的选取可为海上大型吊装工程的安全施工提供有力的技术支持。在实际施工中，STF的索具布置操作简易，施工效率高，节省了工期，减少了吊装成本。STF经济、高效、安全可行的吊装方案，可为今后类似的大型吊装提供借鉴。

参考文献

[1] GL Noble Denton Guidelines for Marine Lifting Operations[S], Rev.10, 22 Jun 13.

[2] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].6版.北京：高等教育出版社，2002

[3] 第一航务工程局．港口工程施工手册[M]．北京:人民交通出版社，2014.

[4] 张少雄，任思杨.起重船有限元直接计算实例[J].船海工程，2009,38(4)：5-8

On the Integral Lifting Method for Stinger Transition Frame

ZHANG Wen-yao1, ZHANG Shao-xiong2

(1 Guangzhou Salvage Bureau of the Ministry of Communications, Guangzhou 510260, China;2 School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:For the installation of large structure of specific use, which should be inclined by 7 degrees, a feasible lifting proposal is performed by deploying a reasonable rigging arrangement, selecting an applicable floating crane. The loads acting upon lifting points and main hooks are calculated and analyzed in details during two situations before and after inclined, so as to ensure the safety of the lifting.

Key words:heavy lift; floating crane; safety factors; rigging arrangement

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.023

收稿日期：2016-01-06

第一作者简介：张文耀(1985—)，男，硕士，工程师 E-mail:zwy0401@sina.com

中图分类号：U671.99

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0099-05

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶与海洋工程