翻身吊装设计中的吊环载荷分析

，，

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030；2.上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913；3.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

船舶分段吊装时，吊环是焊接在船体分段、总段上的标准件，其通过索具与起重机相连，是进行分段吊装作业的强受力构件[1-2]。由于要尽量避免仰焊以及方便舾装施工，分段或总段往往是反态或者侧态建造，所以在总组或搭载时经常涉及到翻身吊装。翻身吊装必须通过吊环实现，吊环的设计要素包括安装位置、数量和型号。吊环的安装位置和数量主要以分段的重量重心位置以及强结构的位置为依据[3]。吊环型号在安装位置确定后通过静力平衡方程计算确定[4]，吊环载荷往往只计算初始姿态和最终姿态或者就是0°、45°、90°这3个特殊姿态[5]；而实际施工过程中吊环载荷会随分段翻转角度的变化而变化[6]，如果忽视了这个变化，会导致吊环在翻身过程中的实际载荷有可能超过所选择吊环型号的许用载荷，发生安全事故。所以选择吊环型号时要以翻身过程中的最大载荷为计算基准，应分析翻身吊装过程中吊环载荷的变化规律，合理计算最大吊环载荷。

1 翻身吊装过程简化

船体分段在平吊时, 如果分段上的吊环位置和钢丝绳长度选择适当, 可使用1台吊车[7]，而翻身吊装必须使用2台吊车分别通过钢丝绳连接2组吊环来实现，其中一组吊环相对上升，另一组吊环相对下降，使分段的姿态发生旋转，这是最基本的翻身吊装过程，这里将这2组吊环分别称为上升吊环和下降吊环。对翻身吊装过程进行简化，见图1。

简化1。将复杂的翻身吊装过程分解为若干个基本翻身吊装过程。例如常见的分段180°翻身吊装，通过2组吊环起吊分段，其中一组吊环相对上升，另一组吊环相对下降，使分段的姿态翻身直至上升吊环承受分段全部重量，下降吊环受力为零。然后进行换钩，松开下降吊环上的钢丝绳，连接至另一侧的吊环，新连接的吊环相对上升，未松开的吊环相对下降，使分段的姿态再次旋转直至所需角度。将以上过程分解为换钩前和换钩后2个基本翻身吊装过程。

简化2。通常吊装过程非常缓慢, 因此忽略体系的动响应[8]，认为吊装过程是匀速运动，每个姿态都适用静力平衡方程。

简化3。忽略由吊装过程中偶发的冲击、分段摇摆等因素。钢丝绳角度的变化会导致吊环载荷变化[9],连接各组吊环的钢丝绳的合力始终竖直向上，与重力方向相反。

简化4。分段安装了必要的临时加强件，避免了在翻身吊装过程中有过大的变形，认为分段是刚体结构。

简化5。所分析的分段或总段上安装的各组吊环的轴线互相平行，沿轴线方向的分段或总段边线也与轴线平行，将此类分段或总段立体翻身简化为典型剖面以任一点为中心的平面旋转。

2 吊环载荷参数化分析

2.1 吊环载荷参数化

需要分析吊环载荷的有2组吊环，分别为上升吊环和下降吊环，根据静力平衡，这2组吊环载荷之和等于分段总重，所以分析一组吊环载荷，就能求得另一组吊环载荷。选取下降吊环的载荷作为研究对象，并选取上升吊环的轴线为旋转中心线。

将简化得到分段翻身过程进一步基于极坐标进行参数化，以上升吊环为极点，水平向右方向为极轴，并定义以下参数：上升吊环坐标为(0,0)，重心坐标为(p,α)，下降吊环坐标为(q,β)，其中0°<α<90°，0°<β<90°，分段总重为G，下降吊环载荷为T，根据ΣF=0，上升吊环载荷为G-T，参数化模型见图2。

分段在沿顺时针旋转角度θ(0°≤θ≤180°)后，重心坐标变换为(p,α-θ)，下降吊环坐标变换为(q,β-θ)，旋转后的参数化模型见图3。

再使用和角公式进行整理并写成函数形式。

至此，已经得到下降吊环载荷T关于旋转角度θ的函数。

2.2 吊环载荷变化规律

根据微积分原理，对函数求导，根据导函数的

正负判断原函数的单调性。

显然在0°≤θ≤180°时，

根据翻身过程的参数定义，有0°<α<90°，0°<β<90°， 在此范围内的正切函数单调递增。

根据吊环布置，α、β、θ和T的物理意义见图4。

α>β是初始姿态下重心位于上升吊环、下降吊环连线的上方，此时翻身过程中下降吊环载荷将逐渐变大，上升吊环载荷逐渐变小；

α=β是初始姿态下重心、上升吊环、下降吊环三点一线，此时翻身过程中上升吊环和下降吊环载荷保持不变；

α<β是初始姿态下重心位于上升吊环、下降吊环连线的下方，此时翻身过程中下降吊环载荷将逐渐变小，上升吊环载荷逐渐变大。

2.3 考虑折点后的吊环载荷分析

大多数分段在翻身一定角度后，下降吊环的钢丝绳会与结构相触，出现兜钢丝，将相接触的点称为折点。

在折点处，钢丝绳发生了弯折，折点以上的钢丝绳保持竖直方向。如果把折点以下的钢丝绳作为分段内部结构，那么折点就可以认同为新的、虚拟的下降吊环，真实的下降吊环认同为分段内部结构。由于钢丝绳与结构间的摩擦力只会减小真实的下降吊环的载荷，为安全起见以及方便分析，忽略该摩擦力，则钢丝绳上拉力处处相等，真实的下降吊环与虚拟的下降吊环的载荷一致。

一旦发生兜钢丝，认为下降吊环的位置发生了转移，之后是一个新的基本翻身吊装过程。重新利用极坐标参数化此时的工况，新的参数化模型见图5，直接应用前述下降吊环载荷和上升吊环变化规律的结论。

在发生兜钢丝的姿态下，需要判断重心与上升吊环、折点连线的位置关系。

重心位于连线的上方，此时翻身过程中下降吊环载荷将逐渐变大，上升吊环载荷逐渐变小；

重心与连线重合，此时翻身过程中上升吊环和下降吊环载荷保持不变；

重心位于连线的下方，此时翻身过程中副钩吊环载荷将逐渐变小，上升吊环载荷逐渐变大。

3 某型船吊装应用

3.1 货舱双层底分段翻身吊装

某型船货舱双层底分段的翻身吊装要素见图6。A、B、C为3组吊环、重心为O，折点为D。

该分段要从反态翻身180°成为正态进行总组，需要经历一次换钩。将该翻身吊装过程分解为3个基本翻身吊装过程。

过程1。由A、B2组吊环进行翻身吊装，其中A为上升吊环，B为下降吊环。重心O始终位于AB连线的下方，B载荷将逐渐变小，A载荷逐渐变大。

过程2。由吊环A和折点D进行翻身吊装，其中A仍为上升吊环，D为虚拟下降吊环，分段的姿态继续顺时针旋转直至重心O在吊环A的正下方。重心O始终位于AD连线的下方，B等于D的载荷，且逐渐变小直至零，A载荷逐渐变大直至分段重量。

过程3。由A、C2组吊环进行翻身吊装，其中A转变为下降吊环，C为上升吊环。重心O始终位于AC连线下方，A载荷将由分段重量逐渐变小，C载荷将由零逐渐变大。

整合以上3个基本翻身过程，分析得到各吊环的载荷变化规律，见图7。由于只关心吊环载荷在各个基本翻身过程中的极值，所以过程曲线均由直线代替。

由图7可以看出，吊环A的最大载荷发生在换钩时，吊环B的最大载荷发生在初始姿态，吊环C的最大载荷发生在最终姿态。

3.2 货舱舷侧总段翻身吊装

吊装要素同样有A、B、C3组吊环、重心O以及折点D，见图8。

该总段要从侧态翻身90°成为正态进行搭载，由于钢丝绳在连接吊环B时会干涉甲板的拼板缝，所以要进行一次换钩，将钢丝绳连接至甲板上的吊环C上，使总段姿态反向旋转，调整到最终姿态。将该翻身吊装过程分解，共有三个基本翻身吊装过程组成。

整合3个基本翻身过程,分析得到各吊环的载荷变化规律，见图9。

由图9可知，吊环A的最大载荷发生在换钩时，吊环B的最大载荷发生在兜钢丝时，吊环C的最大载荷发生在最终姿态。

3.3 机舱双层底分段翻身吊装

吊装要素有A、B2组吊环、重心O及一系列折点D1，D2，，见图10。

该分段要从反态翻身180°成为正态进行总组，由吊环A和吊环B起吊分段，开始翻身，在钢丝绳经历一系列折点，吊环B载荷为零后，进行换钩，将钢丝绳从吊环B松开后移至分段另一侧再次连接到吊环B，继续翻身，调整到最终姿态。将该分段近似为半圆柱体，分解翻身吊装过程。

第一系列基本翻身吊装过程。由A、B2组吊环进行翻身吊装，其中A为上升吊环，B为下降吊环，分段的姿态翻身一个微小角度后，钢丝绳就会触碰到折点D1，D1变为虚拟下降吊环，开始新的基本翻身吊装过程。在分段的姿态继续翻身一个微小角度后，钢丝绳会继续触碰到折点D2，D2变为虚拟下降吊环，又开始新的基本翻身吊装过程。以上的过程在分段的姿态顺时针旋转至重心O在上升吊环A正下方前不断重复。所以该过程由无限个微小的基本翻身吊装过程组成，是一个系列的基本翻身过程，将系列折点记为Dn。

此过程中，上升吊环A与折点Dn的连线不断改变，重心O的位置也从ADn连线的上方慢慢转移到下方，根据前文的结论，在重心O的位置在ADn连线的上方向下移动时，B载荷将逐渐变大，A载荷逐渐变大，在重心O的位置在ADn连线的下方向下移动时，B载荷将逐渐变小直至零，A载荷逐渐变大直至分段重量。即：重心O与ADn连线重合时下B载荷达到最大值，A载荷达到最小值，此时的Dn记为DO。

第二个基本翻身过程。与第一个案例中换钩后翻身过程一致。

整合以上一系列基本翻身过程和一个基本翻身吊装过程，分析得到各吊环的载荷变化规律，见图11。

由图11可知，吊环A的最大载荷发生在换钩时，吊环B的最大载荷发生在钢丝绳弯折于折点DO时。

4 结论

1)重心位于上升吊环、下降吊环连线的上方，此时翻身过程中下降吊环载荷将逐渐变大，上升吊环载荷逐渐变小；

2)重心、上升吊环、下降吊环三点一线，此时翻身过程中上升吊环和下降吊环载荷保持不变；

3)重心位于上升吊环、下降吊环连线的下方，此时翻身过程中下降吊环载荷将逐渐变小，上

升吊环载荷逐渐变大；

4)翻身吊装过程中发生兜钢丝时，应将折点等同为新的下降吊环，并重新应用以上结论判断吊环载荷变化规律。