大型龙门吊刚、柔性腿吊装方式分析

钮国平

（江苏龙源振华海洋工程有限公司，江苏南通226000）

1 引言

随着我国的造船工艺的迅速发展，各大船厂承接的船舶吨位从几万吨发展到十几万吨，使船体各分段的重量和尺寸也越来越大，作为船厂的主要配套设备，龙门吊的跨度、起重量、起升高度要求也越来越高，使龙门吊整机的质量和安装高度不断增加，总装难度越来越高。

2 工程概况

本文中的1200t龙门吊为大吨位的船用龙门吊，主体结构为：大梁、支腿（刚性腿、柔性腿），其跨距为120m，刚、柔性竖立后高度约78m，龙门吊大梁、刚性腿、柔性腿结构分别按图纸制作完成，然后在总装场地预埋轨道上完成整个龙门吊总装。

3 支腿结构吊装

总装顺序为：场地布置—承载轨道上布置大车—吊装刚性腿—斜拉索固定刚性腿—吊装柔性腿—斜拉索固定柔性腿—调整刚、柔性腿开档—为吊装大梁做好准备[1]。

刚性腿总质量约520t，长71.6m，需起吊高度102m。本段以吊装刚性腿为例介绍刚/柔性腿的吊装方案，刚/柔性腿翻身、竖立完成后，通过大车销轴将其安装在已布置好的大车行走上，然后使用防风钢索斜拉，将刚/柔性腿固定，为后续吊装大梁工作做好准备。

4 吊装方案设计

4.1 吊装方案设计内容

吊装方案设计内容为：（1）计算刚性腿重心，拟定吊耳位置及此位置的受力计算。（2）根据吊装过程中翻身的角度受力分析及浮吊吊高，选择合适直径及长度的吊装钢丝绳。（3）设计吊装吊耳，吊耳要求根据结构特点布置，此次刚性腿吊耳采用10.9级高强度螺栓与刚性腿顶部法兰进行连接，并对吊耳强度和螺栓拧紧后强度进行计算验证，对安装位置进行加强。（4）刚性腿吊装竖立后，进行防倾斜及风载计算，确定防风缆绳的受力强度、长度，确定固定地锚位置及强度等。

4.2 计算论证

重心计算：假设整个刚性腿纵向重心离上部法兰顶部距离为L，刚性腿重量为G，各零件重心离上部法兰距离为Li，各零件重量为Gi，则L=∑GiLi/G，可得纵向重心位置。同样的方法可以求出横向重心的位置。根据重心位置及刚性腿整体重量及力矩平衡，求出刚开始翻身时拉力P=214t。随着翻身的角度越来越大，刚性腿重量将压在底部支撑上，而翻身拉力越来越小，直到完全直立状态，当完全直立提升时，P最大，等于刚性腿重量520t，单个吊耳受力为520t/4=130t，根据最大受力可配置起吊钢丝绳。

翻身吊耳计算：根据受力分析，每个翻身吊耳结构设计为200t，为2.5倍安全系数。吊耳上有轴孔的水平截面A-A和垂直截面B-B为危险截面。根据水平截面A-A的内侧孔边最大拉应力为：

式中，F为吊耳所受外力；b为吊耳主板宽度；d为吊耳孔直径；δ为吊耳主板厚；δ′为吊耳加强板厚；σs为屈服强度；αj为应力集中系数，取2.5。

垂直截面B-B的内侧孔边最大拉应力（切向）：

式中，h0为受力方向吊耳轴孔中心到外侧长度。

根据受力大小及式（1）、式（2）设计200t吊耳。

由于刚性腿顶部为法兰结构，因此，设计吊耳时，吊耳与主结构连接考虑其用螺栓连接，共布置4个吊耳，左右对称。每个吊耳通过24个M24×130的高强螺栓与主结构连接，因此，在吊耳本身强度满足的情况下，还需要核算每个吊耳连接螺栓的抗拉安全系数。计算时以水平状态受力和垂直状态受力2种状态进行。计算出最低安全系数为1.9，基本满足翻身吊装要求。

连接螺栓安全系数计算过程为：刚性腿组件总重为520t，高强度螺栓M24，螺栓屈服强度σs＝940MPa。预紧力P0＝24 000×9.8＝235 200N，螺栓抗拉载荷F0＝388 000N。

1）刚起吊与地面成0°时，吊耳受力状态如图1所示，受到外力P=214t。此时，吊耳两侧螺栓受力F1为拉力，F2为压力，复核螺栓强度以拉力F1进行。

单个吊耳受到的拉力：P′=214/2=107t=1 048 600N，摩擦力：f1=0.35P0=82 320N，单个吊耳受摩擦力：f=24×82 320=1 975 680N＞P，所以，单个吊耳剪切力为0。

单个吊耳受到的弯矩：

M=PL=1 048 600×395=414 197 000N·mm。

离中心最远的螺栓受到最大拉力：

F1=ML1/［2i（L12+L22+L32+L42+L52）］=79 695N（每行螺栓数量i=2，L1～L5为每组螺栓到受力中心距离）。

离中心最远的螺栓受到的拉力合计=F1+P0=79 695+235 200=314 895N＜F0。

离中心最远的螺栓的安全系数K=（F0-P0）/F1=1.9。

2）与地面成90°时，并要求抬起，吊耳受力状态如图2所示。单个吊耳受到的拉力P′=130t=1 274 000N，每个螺栓受到的拉力F1=P′/24=53 083N，螺栓的安全系数K=（F0-P0）/F1=2.88。

图1 刚性腿腿水平 状态吊耳受力

图2 刚性腿垂直状态吊耳受力

3）刚性腿安装后风载荷的计算，刚性腿竖立后主要靠6个斜拉钢索进行固定，其主要不稳定受力主要来自风载荷、自身重心偏心，分析如下：

式中，Pw为风荷载；C为风载体形系数，取值1.4；Kn为风压高度变化系数，取1.33；q为计算风压值，取11级台风为66.42kg/m2；A为垂直于风向的迎风面积，m2。计算时，根据重心偏向和最大迎风面进行计算，计算结果为：Pw=112t。

假设：（1）风载荷Pw集中作用一点受力面平均中心；（2）刚性腿偏斜3°（吊大梁前调整开或者压大梁时受到冲击时状态）。

竖直状态时力矩平衡：F1L1=Gb1+Pwa1，得F1=88t。

单根钢丝绳受力：F=F1/2=44t（以2根钢丝计算，中间为调整钢丝绳）。

刚性腿偏斜3°力矩平衡：F2L2=Gb2+Pwa2，得F2=115t。

单根钢丝绳受力：F=F2/2=57.5t（以2根钢丝计算，中间为调整钢丝绳）。

式中，a1、a2为两种状态下，风载荷作用力Pw到刚性腿支点的垂直距离；b1、b2为两种状态下，刚性腿重心到刚性腿支点的垂直距离。平衡支点为刚性腿竖立时支撑点。

以钢索受力大小确定与此钢索连接的刚性腿吊耳、地锚、滑车、卷扬机及测力装置的配置，并进行设计或采购。按同样方法确定柔性腿的地锚、滑车和卷扬机规格。

5 结语

龙门吊刚、柔性腿安装有多种方式，每种方式都有各自的优点，需因地制宜地选择，在保证安全的前提下，提高效率。本文的吊装方式适合大型浮吊设备，且在临码头有大的总装场地，可供从事相同专业人员参考。