超大重型设备吊运平衡架的设计与应用

陆世华 霍博义

上海振华重工(集团)股份有限公司长兴分公司

1 引言

吊运平衡架是一种用于起吊大型构件的吊具，被广泛应用在大型物体运输过程、建筑工程安装、大型桥面梁分段现场拼接等作业工况[1-2]。使用吊运平衡架可以使被吊装构件在抬吊过程中合理受力，避免因构件产生超负荷的屈服拉压力，使被吊装构件局部弯曲变形，进而造成设备损坏以及人身伤亡事故的发生。文献[3-5]均基于ANSYS对单根平衡吊梁进行了结构设计、参数优化、有限元分析，保证了单根吊运平衡架在各种工作状况下具有足够的强度和刚度，满足工程实际使用要求，为超大重型设备吊运平衡架的设计提供了理论参考。文献[6]介绍了自制吊架制作工艺、构件吊装施工工艺及其要点。通过工程施工实例，为建筑施工企业克服施工机械不足、完成高难工程施工探索了新途径。

在上海振华重工所承建的旧金山——奥克兰新海湾大桥项目中，桥面钢箱梁大分段制造完成后需船运至桥址安装现场进行安装。桥面钢箱梁分段装船和卸船需要采用大型起重设备吊运。旧金山——奥克兰新海湾大桥桥面钢箱梁分段梁长度在19～70 m范围内不等，重量在900～1 750 t范围内不等[7]。由于桥面钢箱梁尺寸规格、重量不一，如采用单根吊梁，需要根据钢箱梁吊装段长度，制作多根吊梁。吊装作业过程中，需根据待吊装箱梁的尺寸，频繁更换吊梁，大大降低施工效率，增加施工成本；如果简单地将单根吊梁组合使用，会降低吊装稳定性，增加安全隐患。大重型设备的起吊安装通常使用专用吊具，由于设备的重量极大，作业时的安全性要求很高，因此吊具结构尺寸的设计及优化便成为关键。另外，在吊装过程中，为了保持被吊构件的平衡，合理分配、平衡各吊点的荷载，减少起重设备承受的偏载，设计制作合适的吊运平衡架至关重要。

2 设计理念

该项目设计工程师基于桥址现场租赁的单主钩浮式起重机参数和桥面钢箱梁分段的规格、重量，设计了单施力点、多受力点的吊运平衡架。这种吊运平衡架存在单吊点不易起吊平衡、自重大的缺点。施工过程中，需要根据不同吊装段重心位置，通过调节吊架来调整上侧机架与下侧横梁的相对位置，确保起重机械吊钩中心与待吊构件重心位于同一垂线上，施工作业工序繁琐、作业强度高、生产效率低。

上海振华重工自有的1 000 t、1 300 t、1 600 t、5 000 t等固定臂架浮式起重船，均有2个主吊钩、1个副吊钩，施工作业时2只主吊钩和副钩可协同作业。基于浮式起重船的双吊钩可协同作业的优势条件设计的一种用于超大重型设备的多施力点、多受力点吊运平衡架，具备起吊平衡性好、自重小、吊点距离可调、可满足抬吊不同规格构件的优点，提高了大型构件吊装效率和吊装的稳定性，同时避免了吊梁选型和设备偏载造成安全风险的问题。

3 结构设计

超大重型设备吊运平衡架主要由主横梁、撑管、斜拉杆、节点板、双滑轮机构、单滑轮机构、卸扣、吊点、钢丝绳等构件组成。

3.1 吊运平衡架主体结构

吊运平衡架主体结构由主梁、上下吊点、撑管、斜拉杆、节点板组成(见图1)。

1.上部吊点 2.主梁 3.下部吊点 4.撑管 5.节点板 6.斜拉杆图1 平衡架主体结构

吊运平衡架设计吊重2 000 t，主梁长度22.6 m，两根主梁间开档尺寸为8.4 m。每根主梁上方设置4组吊点，下方设置6组吊点。单组吊点设计承载300 t。主梁选用材质为A709-50-2，规格为1 250 mm×680 mm×38 mm×50 mm(h×b×tw×t)的H型钢制成。主梁上、下吊点区域腹板与翼板的焊缝采用100%熔透焊接，其余位置腹板与翼板采用坡口深度12 mm双面对称部分熔透焊接，主梁腹板两侧长度方向上均匀布置多个加强筋板，增加上、下吊点之间力的传递和主梁的稳定性。撑杆选用材质为Q345D，规格为400 mm×400 mm×14 mm的方管，2根撑管垂直于吊运平衡架的方向布置，撑管两端装有法兰与主梁法兰采用螺栓联接。斜拉杆选用材质为Q345D，规格∅152 mm×10 mm的无缝钢管，4根斜拉杆交叉放置，交叉点以及斜拉杆与吊运平衡架的衔接处通过节点板焊接而成。吊点安装在吊运平衡架主梁的上端和下端与主梁腹板对筋，采用100%全熔透焊接与主梁连接，吊点分为单孔、双孔、三孔吊点，吊点布设间距视待吊箱梁而定，这样有利于合理布置索具，实现吊装不同吨位箱梁。

3.2 下部起吊结构

下部起吊结构用于连接平衡架和待吊箱体，由吊叉、双滑轮机构组件、单滑轮机构组件、钢丝绳组成(见图2)。吊叉下端与单、双滑轮机构联接，上端根据待吊运箱梁上吊点分布情况，采用销轴与吊运架下部对应吊点连接。双滑轮机构组件(包含滑轮联板、钢丝绳)、单滑轮机构与吊叉采用销轴连接，双滑轮机构、单滑轮机构通过钢丝绳与待吊箱体连接，钢丝绳两端与待吊箱体上的吊点通过卸扣连接。钢丝绳在滑轮上可以自由滑动，使待吊箱体自适应平衡，避免箱梁上吊点超载和设备偏载，大大提高了吊装稳定性。

1.吊叉 2.双滑轮机构 3.钢丝绳 4.单滑轮机构 5.待吊箱体图2 下部起吊结构

3.3 上部起吊结构

上部起吊结构将平衡架与起重机相连，由起重机双主钩、卸扣、钢丝绳、单臂吊梁组成(见图3)。2根主横梁上部吊点1及吊点2通过下部钢丝绳、卸扣分别与单臂吊梁1、2连接，单臂吊梁1、2通过上部钢丝绳环与主钩1相连；主梁上的吊点3及吊点4通过下部钢丝绳、卸扣与单臂吊梁3、4连接，单臂吊梁3、4通过钢丝绳环与主钩2相连。

1.主吊钩1 2.主吊钩2 3.单臂吊梁1 4.单臂吊梁2 5.单臂吊梁3 6.单臂吊梁4 7.上部钢丝绳环 8.下部钢丝绳图3 上部起吊结构

4 吊装工艺

旧金山——奥克兰海湾大桥钢结构桥面梁分段吊装作业，采用非对称平衡载荷吊装技术。在桥面梁长度方向上非对称布设4个吊点，宽度方向对称布设2排吊点。首先根据待吊运桥面梁吊装段的规格、重心、桥面梁顶板上吊点位置分布情况，确定吊运平衡架的方向，并在吊运平衡架下部吊点的对应位置上安装吊叉和滑轮组机构。吊运平衡架下部准备好后，浮式起重船主钩下降至距地面50 cm处，在主钩头1上挂2根上部钢丝绳环，2根钢丝绳环下端通过卸扣分别与单臂吊梁1和单臂吊梁2上方吊点连接。单臂吊梁1和2下方吊点采用卸扣与下部钢丝绳连接，钢丝绳下端与吊运平衡架上部吊点1和吊点2连接。采取同样的顺序完成起重机主钩头2与单臂吊梁、吊运平衡架及桥面钢箱梁连接。

5 结语

超大重型设备吊运平衡架在美国旧金山——奥克兰海湾大桥、苏格兰福斯钢桥等项目的大节段箱梁吊装作业中得到了很好的推广应用。现场施工效果表明，该结构设计轻巧，便于操作，可适用于大型浮式起重机、门式起重机等各型吊装设备；可避免吊梁选型、设备偏载等问题，实现不同吨位的箱梁吊装；安全性高，节时省力，有效提高工作效率。