爬升式搖頭桿在纜索起重機大型貝雷片塔架安拆中的應用

陳華勇

福建標馳吊裝工程有限公司 漳州 363601

0 引言

纜索起重機（以下簡稱纜機）[1]由塔架（含索鞍）、纜風索、L 纜索系統、塔架基礎與錨碇、卷揚機布置、自動化系統、跑車與吊具等部分組成，其中塔架作為主要受力構件，對其結構的設計及優化不僅有利于減小材質用量，更方便安拆施工及運輸。塔架常見的結構由萬能桿件、鋼管塔及大型貝雷片拼裝組成，其中大型貝雷片由于安拆及運輸方便而常被用于纜機塔架，塔架常用汽車起重機、履帶起重機或塔式起重機輔助安拆，但這些輔助起重設備費用較高，工效低，性價比不高。為了尋求合適可替代方案，本文研制出一種爬升式搖頭桿，可用于輔助大型貝雷片塔架安拆。

1 大型貝雷片塔架結構形式[2]

如圖1、圖2 所示，纜機塔架的結構形式由主塔及中橫梁采用大型貝雷片（4 m×2.14 m）拼裝而成，主塔塔身采用16 片大型貝雷片組成格構式，主塔設置2道橫梁，中橫梁采用4 片大型貝雷片，頂橫梁采用型鋼焊接而成。北岸塔高為101.8 m，南岸塔高為105.8 m，索鞍橫向布置在主拱肋中心線上，塔間中心間距為28.7 m，主塔構造中的大型貝雷片標準節段每節段高4 m，貝雷材質Q345B，貝雷主弦桿接頭采用Φ58 mm 貝雷銷連接，貝雷銷材質為Cr40，抗剪強度[τ]＝400 MPa。

圖1 塔架結構圖

圖2 塔架節段標準布置

2 爬升式搖頭桿結構形式

爬升式搖頭桿[3]由主桿、主梁、拉桿、起升系統、牽引系統、附著等組成，額定起重量為3 t，搖頭桿主桿為Φ325 mm×20 mm 無縫管，主梁為2 根Ⅰ32a，連接銷軸的直徑為Φ50 mm，設有2 套附著和1 個支承底盤。搖頭桿主梁兩端按3 t 吊重設計，實際最大吊重為2.2 t。起重索為Φ19.5 mm 鋼絲繩，橫移小車牽引[4]采用1 t 電動葫蘆，牽引采用Φ13 mm 二倍率鋼絲繩。其結構如圖3 所示。

圖3 爬升式搖頭桿示意圖

2.1 起升原理

5 t 卷揚機起重索為Φ19.5 mm 出繩，經塔底轉向輪轉向至塔頂轉向輪，后到達主梁端頭的2 個轉向輪，進入起升小車，并順繞于吊具，為二倍率鋼絲繩起升，最后固定于主梁下方且靠近主桿處錨固點（見圖3），通過卷揚機正反轉實現吊具上升下降。

2.2 牽引原理

牽引索為Φ13 mm 鋼絲繩，纏繞電動葫蘆3 ～4 圈后一端經主梁端頭轉向輪捆綁于行走小車前端，另一端捆綁于行走小車后端形成閉環，通過電動葫蘆正反轉實現驅動起吊小車前進后退。

3 爬升式搖頭桿安拆塔架施工工藝

3.1 施工前準備

圖4 為爬升式搖頭桿安裝主塔構件示意圖。在施工前，應對參加吊裝作業的全體人員做全面的技術交底，列出詳細的組織安排，做到分工明確、職責到位；有專人統一指揮，因各操作點距離較遠，操作點、上端調試點和測量觀測點均應配備有對講機或其他可靠的通信工具；仔細核對爬升式搖頭桿的設備是否已全部到位，并驗收合格后方可投入使用；卷揚機底部4 片裝拼裝場地、塔架基礎及纜風錨碇等均已準備就緒；底部準備1 臺25 t 汽車起重機，用于大型貝雷片的拼裝。

圖4 爬升式搖頭桿安裝主塔構件示意圖

3.2 塔架底部4 節安裝

由25 t 汽車起重機負責安裝底部的4 節主塔。在主塔基礎后場地內進行貝雷片組裝，采用汽車起重機將4片貝雷片依次通過銷軸拼接為口形小構件，檢驗后放置在存放場進行主塔組裝，如圖5 所示。

圖5 主桿與貝雷主塔連接構造圖

在拼裝第一節時，先將底節主塔拼裝4 個口字結構，并將其吊至基礎上方的準確位置，然后用水平及豎向支撐架將16 組貝雷桁架連接成整體，再用水準儀和經緯儀測量主塔的垂直度和標高；采用手搖千斤頂調整主塔標高，要求平面位置偏差在10 mm 以內，主塔垂直度在4 m 高范圍內不大于2 mm，再用墊塊及臨時鋼板材料將整個標準節定位牢固，將貝雷銷及連接耳板套在貝雷主弦桿的銷孔內；最后，將耳板與基礎預埋板進行焊接，焊接完成后割除臨時固定的墊塊及鋼板。

第1 節主塔安裝完成后，將移動操作平臺安裝在塔身上作為主塔拼裝人員的施工平臺，每安裝一層主塔，即用25 t 汽車起重機起吊將移動操作平臺提升一層，同理安裝其余3 節主塔。

3.3 爬升式搖頭桿安裝

搖頭桿安裝由25 t 汽車起重機協助吊裝。爬升式搖頭桿安裝流程為：1）安裝主桿與附著；2）安裝搖頭桿主梁，主梁與主桿通過銷軸連接；再安裝桿帽頭，桿帽頭與主桿采用銷軸連接；3）安裝拉桿，拉桿與桿帽頭和主梁間亦采用銷軸連接；4）安裝起重小車與橫移電動葫蘆；5）安裝吊具與起重鋼絲繩。

爬升式搖頭桿安裝完成后，在正式安裝塔架前需對其進行試吊試驗，試吊荷載按1.2 倍進行，先進行單邊試吊，再在兩端各加載1.2 倍設計荷載（3.6 t）進行試吊。試驗分50%、100%、120%等3 級進行載荷試驗，分別上下塔架1 次、往復橫移小車1 次、旋轉主桿1 次。

本試驗試吊的目的是檢驗兩側起吊小車在 1.2P動載作用下的牽引能力（如牽引力大小、牽引速度、牽引系統的制動性能等）；檢驗兩側起吊小車在 1.2P動載作用下的起重能力（如起重力大小、起升速度、起升系統的制動性能等）；檢驗在 1.2P 荷載作用下搖頭桿等結構的受力狀態；重載下的吊具、軸銷、轉向輪等結構的連接件受力觀察。

3.4 塔架安裝

如圖6 所示，爬升式搖頭桿安裝完成后，塔身分4塊進行拼裝。一次吊裝塔身對角線方向的2 塊同時安裝，單塊質量為2.2 t，3 t 爬升式搖頭桿能滿足吊裝質量的要求。

圖6 爬升式搖頭桿單層主塔構件安裝順序圖

對稱起吊構件至安裝高度后，取掉附著環板與爬升式搖頭桿間的嵌緊鍥塊，2 個1 t 手拉葫蘆對稱手拉搖頭桿底部旋轉傳力桿，使待安構件位于安裝位置對角線上，開啟主梁上的橫移牽引電動葫蘆，將起吊小車移動至安裝位置正上方，然后緩慢放下吊鉤，人工輔助導向使大型貝雷片陽頭落入已安大型貝雷片的陰頭中，最后穿插敲打貝雷銷至銷孔中，并安裝好保險插銷。

大型貝雷片安裝完成后，再安裝塔間平面與豎向支撐架，安裝完成后，通過4 個5 t 葫蘆交替提升搖頭桿，搖頭桿提升到位。

在拼裝過程中，主塔高度每隔50 m 安裝一道臨時纜風，主塔4 個角落前后左右安裝8 根Φ24 鋼絲繩纜風繩，以確保主塔拼裝時的穩定性。首先，利用起吊小車或爬升式搖頭桿將纜風索一繩頭提升主塔纜風索安裝位置，利用繩夾將該繩頭綁扎于主塔一側主弦桿（在捆綁處增加槽鋼內木方及保護墊，尤其是直角拐彎處）；另一端人工穿過轉向輪后進入卷揚機，先用卷揚機拽拉纜風索但不收緊，以減少手拉葫蘆收緊更換次數。臨時打梢臨時纜風索，將卷揚機繩子放出，經轉向輪反向用繩夾臨時固定在纜風索上，并在繩端制作簡易索扣，用千斤頭制成索扣也綁定在纜風索上方，纜風索與千斤頭索扣之間用手拉葫蘆連接，手拉葫蘆拉緊使2 個索扣初步受力，解除纜風索轉向輪處的繩夾，將卷揚機粗調改為手拉葫蘆微調，通過手拉葫蘆收緊實現纜風索收緊；同理，安裝另外3 側纜風索。手拉葫蘆對稱微調主塔前后或左右主塔偏移，調整過程中時時觀測主塔垂直度。將此繩頭至纜風繩初張力以50 kN 進行控制，在纜風繩張拉過程中，由測量人員對已拼主塔的垂直度進行觀測，保證纜風索安裝完成后主塔垂直度在H/1 000 內，塔頂偏位在20 mm 以內。與此同時，經測量檢查并作調整后對先期拼裝的部分各節點的連接螺栓進行拼裝過程的全面檢查、補擰，以消除主塔因拼裝而產生過大變形，并將結構的非彈性變形降低到最低限度。貝雷桁架桿件均為同一工裝加工制作，且貝雷銷與銷孔為緊密配合，只要塔底標準節拼裝精度嚴格控制，上部塔身結構的垂直度通過纜風索調整便能得以保證。

3.5 搖頭桿爬升

如圖7 所示，搖頭桿的爬升首先將交替將2 主桿附著上移至頂層貝雷架上；在頂層貝雷片上掛設2 個5 t手拉葫蘆，鏈條底部用卡環連接主桿底部2 耳板提升孔，將附著環板內的嵌緊鍥塊取掉，使主桿與附著環板間有5 mm 間隙；然后開始拉收手拉葫蘆提升搖頭桿，鏈條長度為3 m，提升2 m 后在搖頭桿上另掛2 個5 t 手拉葫蘆，將先前的5 t 葫蘆取掉；再次拉收手拉葫蘆提升搖頭桿，收到主桿底部約高于支承底盤；最后將搖頭桿支承底盤從下層上移一層大型貝雷片，放松手拉葫蘆使主桿底端落入支承底盤，最后取掉手拉葫蘆，將附著間的嵌緊鍥塊安裝好，進行下一節段的吊裝。

圖7 爬升式搖頭桿爬升圖示

3.6 搖頭桿拆除

爬升式搖頭輔助大型貝雷片塔架至安裝高度，安裝塔頂索鞍及跑車臨時擱置平臺，纜機設備安裝完畢，無需拆除。待纜機施工完畢，利用搖頭桿對大型貝雷片塔架進行拆除，塔架拆除施工工藝與安裝工藝相反，不再贅述。待塔架下降至地下4 節，利用25 t 汽車起重機輔助拆除爬升式搖頭桿及底下4 節大型貝雷片。

3.7 塔架安拆安全注意事項

1）塔架安拆時風速不大于六級，否則應停止安拆。

2）參加塔架安拆的操作人員應熟悉塔架及爬升式搖頭桿的結構、性能及其施工工藝、使用說明書的各項有關要求，操作要領與安全規程。

3）在塔架安拆前，應認真檢查機械設備、電氣設備及安全保護裝置。

4）在施工時，必須設專人指揮，各位置的操作人員必須聽從指揮，不得擅自進行起吊和其他作業；發出緊急停車信號后，操作人員均應立即停車。

5）起吊、牽引操作人員必須在確認指揮信號后方可進行操作，操作前應先鳴鈴或發出信號。

6）所有參加安拆的操作人員必須是將來參加正式吊裝的操作人員，在正式吊裝過程中不得隨意變動操作人員。

7）起吊重物下嚴禁站人；其他施工設備遠離起吊范圍應不小于10 m。

8）禁止高空拋物，施工工具收好，不得隨意丟放。

9）起吊時應起落平穩，嚴禁斜拉、斜吊或超載起吊；六級以上大風嚴禁起吊；嚴禁吊送人員。

10）工作完畢后，應卷揚機切斷電源，并對電源閘刀盒加鎖。

4 爬升式搖頭桿驗算[5]

采用Midas/Civil 軟件建立爬升式搖頭桿受力模型，其中主桿與主梁采用梁單元，主桿在底部固接處理，拉桿采用桁架單元。

1）工況1

搖頭桿兩端對稱吊額定吊重物為3 t，由圖8 ～圖10 可知，搖頭桿受最大應力為33 MPa ＜[σ]＝170 MPa，滿足要求；最大支反力為100 kN，搖頭桿支承底盤承受100 kN 的豎向荷載，由2 條2 拼匚10 槽鋼承受，單條2 拼匚10 承受的最大彎矩為M＝0.3×25 ＝7.5 kN·m，2 拼匚10 的抗彎模量為W＝65 600 mm3，彎曲應力為σ＝7.5×1 000 000/65 600 ＝114 MPa ＜160 MPa，滿足要求。一階失穩模態系數K1＝15.4 ＞4，滿足要求。

圖8 搖頭桿兩端對稱吊重物時應力圖（最大33 MPa）

圖9 搖頭桿兩端對稱吊重物時支反力圖（最大100 kN）

圖10 搖頭桿兩端對稱吊重物時失穩模態圖（K1 ＝15.4 ＞4）

2）工況2

搖頭桿偏載吊額定吊重物為3 t，由圖11 ～圖13 可知，搖頭桿受最大應力為134 MPa ＜[σ]＝170 MPa，滿足要求；最大豎直反力為70 kN ＜100 kN(工況1)，搖頭桿支承底盤的2 條2 拼匚10 槽鋼受力滿足要求，不再贅述。

圖11 搖頭桿偏載吊重物時應力圖（最大134 MPa）

圖12 搖頭桿偏載吊重物時支反力圖（豎向最大70 kN，橫向最大48 kN）

圖13 搖頭桿偏載吊重物時失穩模態圖（K1 ＝20 ＞4）

最大水平反力為48 kN，由附著提供6 顆M22 螺栓的抗剪力承受，共能承受的剪力Q＝6×140×380 N ＝319 200 N ＝319 kN ＞48 kN，滿足要求。一階失穩模態系數K1＝20 ＞4，滿足要求。

3）搖頭桿驗算結論

由以上計算結果可知，爬升式搖頭桿在偏載與對稱吊裝情況下桿件受力均小于170 MPa 的許用應力，一階失穩模態系數K1均大于4，搖頭桿強度與穩定均能滿足規范要求。

5 施工效果

通過實踐檢驗，超高塔架采用爬升式搖頭桿輔助安拆塔架的費用比采用汽車起重機等輔助安拆減少將近一半，且由于搖頭桿每次吊裝8 片大型貝雷片，工效大大提高，比汽車起重機等起重設備單獨一片安裝或一次只吊4 片大型貝雷片安拆時間顯著減小。

6 結語

爬升式搖頭桿用于輔助纜機大型貝雷片塔架安拆施工，能夠提高施工效率，降低施工成本，提高拼裝作業安全，已多次應用于纜機塔架的安拆。爬升式搖頭桿制作簡便成本低，且操作起來方便，具有很好地實用價值；為加強高空作業安全性，設計研發移動操作平臺與爬升式搖頭桿配套使用，隨著塔身的升降而移動，解決傳統每層搭設臨時操作平臺的問題，減少高空搭設施工平臺的安全風險，同時節約了每層搭設平臺的材料與施工費用。綜合實現成本可控、效益提升的目的，爬升式搖頭桿在大型貝雷片塔架的使用具有減原材、提工效、可周轉、強安全等優點，可在同類型工程或與地形地貌相關工程中廣泛推廣。