大型塔吊在鋼索塔安裝中的選型與配置

王立英，彭 武，王栓讓，馬建磊

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

目前合金鋼材料在大跨徑橋梁中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注，大型塔吊在大跨徑橋梁鋼結(jié)構(gòu)安裝中也越發(fā)重要，如南京長(zhǎng)江三橋和泰州長(zhǎng)江公路大橋的鋼塔節(jié)段吊裝質(zhì)量在139.6～144t之間，采用3 600t·m、160t塔式起重機(jī)吊裝；馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋和武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋中塔鋼塔節(jié)段吊裝質(zhì)量分別在200～230t之間，采用5200t·m、240t塔式起重機(jī)吊裝。

本文以南京浦儀跨江大橋?yàn)楸尘?，研究該橋主橋?dú)柱鋼索塔節(jié)段施工吊裝用大型關(guān)鍵設(shè)備，為鋼塔柱吊裝提供安全可靠的保障［1－3］。

1 工程概況

南京浦儀跨江大橋主橋?yàn)榭鐝?0m＋180m＋500m＋180m＋50m的獨(dú)柱形鋼塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。索塔頂處高程為＋177.4m，東塔塔底高程為＋13.0m，塔柱高164.4m。索塔采用切角矩形斷面，單箱多室布置，由四周壁板和三道腹板構(gòu)成。為了減小塔柱截面風(fēng)阻系數(shù)，改善渦震性能，布置尺寸為0.8m×0.8m的切角，將截面進(jìn)行鈍化。鋼索塔構(gòu)造如圖1所示。

圖1 鋼索塔構(gòu)造

鋼塔柱共劃分為19個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度除T1外，其余為7.0m～14.4m不等。節(jié)段間采用栓接接頭，最大節(jié)段T1重約610.12t。

T1～T5節(jié)段采用大型浮吊一次性安裝就位，T6～T19節(jié)段每個(gè)節(jié)段分為2個(gè)安裝塊段，采用大型塔吊起吊安裝。

2 大型塔吊的選型定位

2.1 選型原則

鑒于目前國(guó)內(nèi)3 000t·m級(jí)及以上大型塔吊資源的有限性和國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)逐年增加，節(jié)段質(zhì)量增加趨勢(shì)明顯，對(duì)大型塔吊選型時(shí)考慮在滿足浦儀大橋使用要求的前進(jìn)下應(yīng)適度超前，故選型定位在3 000t·m級(jí)，額定起質(zhì)量為200t。

2.2 選型依據(jù)

南京浦儀跨江大橋東索塔高164.4m，豎向共分為19個(gè)節(jié)段，T1～T5節(jié)段采用大型浮吊一次性安裝就位（圖2），T6～T19節(jié)段每個(gè)節(jié)段劃分為2個(gè)安裝塊段，采用大型塔吊起吊安裝（圖3）。T6～T19節(jié)段中T13的中跨側(cè)塊段最重（117.2t），加上1／2鋼錨梁自重約17.8t，吊具自重約8t，則塔吊最大吊重約為143t。為滿足南京浦儀跨江大橋索塔節(jié)段吊裝需要，初步確定起重力矩為3 000t·m級(jí)，根據(jù)適度超前的選型原則，結(jié)合國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)索塔結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)調(diào)研規(guī)劃橋梁中鋼索塔節(jié)段分段重量［4－5］，最終選擇額定起吊質(zhì)量為200t，其型號(hào)為STT3930-200t。

圖2 索塔T1～T5節(jié)段吊裝

圖3 索塔T6～T19節(jié)段吊裝

3 大型塔吊的結(jié)構(gòu)要求及配置

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型塔吊多用于大型橋梁、超高型房屋建筑、風(fēng)電、火電等領(lǐng)域。本次將大型塔吊首次用于大型橋梁鋼塔節(jié)段吊裝，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上采用國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品的品質(zhì)和安全［6－10］。

3.1.1 整體式固定地腳

為了保證大型塔吊的整體穩(wěn)定性，確保安裝水平精度和垂直度，固定地腳采用整體式制作，這樣可以達(dá)到以下幾個(gè)目的：穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高；軸孔由數(shù)控機(jī)床整體加工，精度高，便于安裝；打基礎(chǔ)時(shí)不需要固定框或標(biāo)準(zhǔn)節(jié)協(xié)助，安裝便易；地腳錨固性能好，抗拔力更大。整體式固定地腳如圖4所示。

3.1.2 塔身整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮大型塔吊附著在柔性的鋼結(jié)構(gòu)索塔上，塔吊在吊裝索塔節(jié)段過(guò)程中與鋼塔柱會(huì)產(chǎn)生耦合作用，應(yīng)確保塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形在合理范圍內(nèi)。

塔身選擇整體式設(shè)計(jì)，主要鋼結(jié)構(gòu)采用Q460C高強(qiáng)材料，其剛度更強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。塔身節(jié)采用單銷軸連接，銷軸孔用數(shù)控機(jī)床整體加工，保證了精度，安拆方便。

圖4 整體式固定地腳

塔身分為加強(qiáng)節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（圖5）及附墻節(jié)，優(yōu)異的加工精度確保了塔身不同節(jié)段之間的互換性。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)

3.1.3 頂升套架結(jié)構(gòu)和液壓頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決超大件運(yùn)輸問(wèn)題，頂升套架設(shè)計(jì)為雙拼裝式套架，安裝及拆除快捷、運(yùn)輸方便。頂升泵站設(shè)在頂升油缸上方，便于觀察和操作，配備頂升橫梁專用移動(dòng)輔助油缸，省力安全。

頂升油缸設(shè)計(jì)采用三油缸后側(cè)頂升，以液壓缸機(jī)械連接方式同步回路，采用剛性梁將液壓缸連接起來(lái)，連接件具有良好的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和剛性。將多個(gè)油缸的有桿腔和無(wú)桿腔分別聯(lián)通，使各個(gè)油缸壓力保持一致，以實(shí)現(xiàn)多油缸同步回路。為達(dá)到油缸帶載工作時(shí)的自主平衡，采取3個(gè)平衡閥并聯(lián)統(tǒng)一供油的措施。為確?？蛰d提升元寶梁平衡，為每個(gè)油缸設(shè)計(jì)了單獨(dú)的控制閥，隨時(shí)調(diào)節(jié)油缸的空載狀態(tài)。油缸帶載時(shí)，使用三合一的主閥操控。頂升液壓系統(tǒng)配有防爆閥、平衡閥以及多個(gè)具有安全保護(hù)功能的溢流閥，在一個(gè)溢流閥發(fā)生故障時(shí)，其他溢流閥依然會(huì)保護(hù)系統(tǒng)不超載，保證了頂升安全。

圖6 頂升套架和液壓系統(tǒng)

3.1.4 起重臂梯形臂架結(jié)構(gòu)形式

起重臂架的主要鋼結(jié)構(gòu)采用Q460C高強(qiáng)材料，保證了塔機(jī)主要結(jié)構(gòu)件的安全裕度和塔機(jī)壽命［11］。

起重臂架（圖7）上弦為整張Q460C高強(qiáng)鋼板切割而成，無(wú)焊縫。起重臂架下弦變幅小車軌道采用焊后加工工藝，精度高。起重臂臂架上弦采用“三板夾二板”連接形式，增加剪切面，大大減少銷軸截面尺寸。

圖7 梯形臂架結(jié)構(gòu)

變幅小車設(shè)計(jì)有車輪糾偏裝置，確保任何載荷下車輪與下弦軌道面100%接觸，極大地提高了臂架軌道壽命和塔機(jī)吊載的安全性能。

3.2 主要功能配置

在大型塔吊選擇定位時(shí)，從設(shè)計(jì)理念、安全因素、智能控制等方面對(duì)主要功能配置也提出了諸多要求［12－15］。

3.2.1 雙起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

STT3930-200t型塔吊采用雙起升機(jī)構(gòu)（圖8～10），電機(jī)功率為324kW，容繩量可達(dá)2 400m，8倍率繞繩時(shí)可安裝近300m高，滿足目前市場(chǎng)調(diào)研的索塔施工高度。同時(shí)吊重小于100t的重物時(shí)，可切換為單機(jī)構(gòu)工作，提高效率。

3.2.2 頂升懸掛感知智能系統(tǒng)

圖8 雙起升機(jī)構(gòu)

圖9 雙重制動(dòng)系統(tǒng)

圖10 雙卷筒起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩穿繞形式

塔吊自行整體頂升安裝及拆除是塔吊安全管理的重要內(nèi)容，也是目前容易出現(xiàn)安全事故的環(huán)節(jié)。STT3930塔機(jī)采用三油缸后側(cè)頂升設(shè)計(jì)，以液壓缸機(jī)械連接方式同步回路。套架、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、油缸、頂升橫梁的連接采用機(jī)械連接，其中套架相當(dāng)于“剛性梁”，套架、套架滑塊與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成導(dǎo)向裝置。該同步回路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)。

為確保每次頂升安全可靠，在頂升橫梁上設(shè)有頂升懸掛感知智能保護(hù)系統(tǒng)（圖11），即安全監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)，確保每一次頂升時(shí)自動(dòng)識(shí)別頂升橫梁掛入情況，預(yù)防人為失誤。

3.2.3 液壓拔插銷系統(tǒng)

塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、塔頭、臂架、平衡臂、壓重底架等所有銷軸的安拆均采用液壓拔插銷器（圖12），避免安拆人員高空移動(dòng)銷軸，確保安裝人員始終在平臺(tái)內(nèi)施工作業(yè)，降低了裝配工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)險(xiǎn)，使得塔機(jī)安拆工作更安全、高效。

圖11 頂升懸掛感知智能保護(hù)系統(tǒng)

圖12 液壓插拔銷器

3.2.4 自懸掛自脫鉤電動(dòng)引進(jìn)系統(tǒng)

STT3930塔吊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上引進(jìn)了自懸掛自脫鉤電動(dòng)引進(jìn)系統(tǒng)（圖13），通過(guò)靠近塔身側(cè)的掛鉤懸掛標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝專用吊具，在起升到安裝高度后，由塔吊操作人員自行摘掛標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，不需要安拆人員輔助，減少了安裝操作人員數(shù)量，降低了人員操作安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)自懸掛自脫鉤減少了常規(guī)安裝過(guò)程中人員的操作工序，提高了安裝效率。

圖13 自懸掛自脫鉤電動(dòng)引進(jìn)系統(tǒng)

3.2.5 智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

塔機(jī)配置高標(biāo)準(zhǔn)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)（圖14），該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)在電腦上顯示塔機(jī)或塔機(jī)群的工作狀況，同時(shí)具有黑匣子記錄功能、防互撞和區(qū)域保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)塔吊使用過(guò)程中的全方位監(jiān)控。

圖14 智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

故障診斷系統(tǒng)由變頻器及力矩限制器組成，兩者都具備故障診斷及故障報(bào)警檢出功能，能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并切斷輸出，保護(hù)設(shè)備的安全。力矩限制器通過(guò)采集各行程傳感器及力傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)，反饋計(jì)算塔機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)行程傳感器或力傳感器出現(xiàn)斷線或短路故障時(shí)，力矩限制器實(shí)時(shí)報(bào)警，提示操作者當(dāng)前故障發(fā)生的原因，便于排查解決。

變頻器通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)視運(yùn)行機(jī)構(gòu)的反饋，一旦機(jī)構(gòu)出現(xiàn)運(yùn)行超速，變頻器檢出故障，就會(huì)通過(guò)制動(dòng)邏輯命令切斷制動(dòng)器電源以及電動(dòng)機(jī)的輸出電源。

3.2.6 智能化和精準(zhǔn)定位功能

（1）塔機(jī)起升定距離運(yùn)行。起升機(jī)構(gòu)可定距離運(yùn)行，當(dāng)司機(jī)在顯示屏中設(shè)定好起升或者下降運(yùn)行的距離值，起升機(jī)構(gòu)只會(huì)運(yùn)行設(shè)定的相應(yīng)距離且到設(shè)定距離后自動(dòng)停止。

（2）蟻速運(yùn)行（超低速滿載運(yùn)行）。塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)可以低于0.5Hz的低速滿載運(yùn)行，通過(guò)聯(lián)動(dòng)臺(tái)上“正常／慢速／遙控”選擇開(kāi)關(guān)及精準(zhǔn)定位功能，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)動(dòng)作。

（3）制動(dòng)器保護(hù)功能。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器出現(xiàn)故障不能抱閘或者抱不緊導(dǎo)致重物下溜時(shí)，變頻器在通電模式下能自動(dòng)檢測(cè)該故障，同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)提示司機(jī)將重物下放到地面。

3.2.7 變幅小車防斷繩裝置

變幅小車的鋼絲繩規(guī)格小，使用和檢查也容易被忽視，為確保變幅小車安全使用，防止發(fā)生意外，設(shè)置變幅小車防斷繩裝置（圖15）。STT3930防斷繩裝置通過(guò)安裝在變幅小車上的防斷繩桿動(dòng)作，使防斷繩桿端頭插入到臂架側(cè)面斜腹桿中，從而使變幅小車停止運(yùn)行。

圖15 防斷繩裝置

4 結(jié) 語(yǔ)

STT3930-200t型塔吊的選型思路與實(shí)踐，首先是在滿足南京浦儀跨江大橋主橋鋼索塔節(jié)段吊裝施工的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步考慮特大型橋梁建造中采用鋼塔結(jié)構(gòu)逐步增多、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段單元?jiǎng)澐衷絹?lái)越大、對(duì)吊裝設(shè)備的能力要求越來(lái)越高的趨勢(shì)。在設(shè)備配置中，融入了信息化、智能化、安全監(jiān)控及人性化設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，整體配置具有一定的前瞻性和技術(shù)領(lǐng)先水平，大幅提高了設(shè)備安全性能和使用效率。該型塔吊在南京浦儀跨江大橋的成功使用，將為其他類似工程提供有益的參考。