半圆体翻转与安装多功能吊具

张宝昌，许文杰，付大伟

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛266071）

1 工程简介

威海市金线顶护岸改造工程的半圆型坡面亲水护岸，长200m，由44个大型半圆体排列筑成，见图1和图2。

图1 亲水护岸半圆体排列图

单个半圆体长4.6m，宽17.355m，高7.2m，底板厚0.7m，拱板厚0.6m，拱外墙半径7.2m，单个重量260 t，如图3所示。

此亲水护岸采用半圆型结构，以提高护岸的观赏性——整齐、光洁、圆滑，增加游客在此观赏人工景致与自然景观完美融合的兴致。

图2 半圆体亲水护岸断面图

图3 半圆体结构图

2 半圆体预制方案选择

半圆体通常采用“卧式”预制，即预制状态与其使用状态一致。为了模板、钢筋支立架设方便，一般应采取先浇筑底板，而后再支立和架设拱圈模板及钢筋，最后浇筑成型。

采用“卧式”状态预制，按一般习惯采用的施工方法分析，至少存在以下问题：

1）拱圈弧形钢筋全部要在底板上方截断，在底板浇筑完成后再二次焊接（或搭接绑扎处理），钢筋损耗或焊接投入较大；

2）拱圈模板、钢筋以及混凝土重量和其它施工荷载，要靠拱圈模板承担，拱圈模板的加工和支拆将耗费大量的材料和工时，拱圈钢筋绑扎困难；

3）拱圈混凝土的表面质量难以控制，与亲水结构的要求相悖。

为了克服“卧式”状态预制半圆体的各种问题，选择了“立式”状态一次性浇筑半圆体的方案，如图4所示。

图4 半圆体立式状态预制示意

采取“立式”浇筑方案，模板和钢筋全部一次支立架设，具有方便施工、省工省料、一次成型、确保质量的明显优点。但需要解决如何把这大型的半圆体安全、便捷地翻转90°，恢复到安装使用状态。为此，研发了一套结构轻巧、操作简便、安全可靠的多功能专用吊具，可以完成半圆体空中翻转90°、装船、水下安装并自动脱钩等一系列施工作业，取得了较好的经济效益和社会效益。

3 吊具设计

3.1 起重船基本参数

300 t起重船主要参数为：两主钩间距2.3m，每钩额定负荷150 t（共300 t），副钩（单）额定负荷60 t，与主钩前后间距6m。使用时两主钩之间要有效连接（封钩）。

3.2 对吊具的设计要求

1）吊起半圆体在空中翻转90°的过程中，要保持半圆体和起重系统受力平稳；

2）保证半圆体吊孔受力均匀，不因应力集中而使吊孔混凝土破坏；

3）翻转完成后半圆体不发生摇摆，能平稳落地、装船或安装，能方便地自动脱钩；

4）力争吊具构造精简，各构件受力简单而明确，做到省料、易作，使用操作灵活可靠。

3.3 吊具设计要点

1）要做到平稳翻转，半圆体的吊点位置必须置于半圆体的重心位置上，半圆体绕着它的重心翻转，任何转角都是平衡的。

2）为了防止吊钩对半圆体吊孔混凝土的破坏性挤压，在吊钩与吊孔接触部位之间设置了一个可转动的“蘑菇头”弧面形垫板。垫板弧面始终与吊孔内壁全面吻合接触，而吊钩与垫板则始终保持弧面线接触。这样吊钩的起吊力便能均匀地分布在垫板的弧面上，很好地避免了吊钩对吊孔内壁的破坏性挤压。该装置如图5所示。

图5 弧面形垫板与吊钩的联接图

3）半圆体被吊起时，吊钩（通过弧面形垫板）始终吊在吊孔内壁最上沿，而半圆体的垂心位置又始终不变，当半圆体绕吊点弧面形垫板翻转时，吊点与半圆体重心之间就产生偏心，偏心距的存在便产生了翻转力矩，翻转角度越大，偏心翻转力矩越大，当翻转到90°时，翻转力矩达到最大值。偏心矩的存在，使半圆体翻转基本可以“自动”完成（只要在半圆体刚起吊并准备翻转时给一“助转”外力，越过旋转的“死点”位置，半圆体便能自行旋转了）。这一现象使半圆体翻转相当容易，而在完成旋转90°后，因此时偏心力矩最大，半圆体便处于最稳定状态，为半圆体扶正落地、装船和安装创造了平稳、安全的条件。

4）吊钩上部焊一拉杆板，用浮吊的副钩控制吊索拉动拉杆板，使吊钩绕吊钩轴转动脱离半圆体，完成“自动脱钩”，见图6所示。

图6 吊具自动脱钩装置图

3.4 吊具的组成

吊具主要由5部分组成，如图7所示。

图7 吊具总图

4 吊具使用方法

4.1 半圆体在预制场空中翻转、存放或装船

半圆体在码头边竖向预制，采用300 t起重船直接起吊翻转半圆体，不需要平移。

1）挂钩。300 t浮吊就位后，主钩挂吊具索，副钩挂翻转索。将吊具主吊钩挂入半圆体吊孔内，翻转索具钩挂住半圆体底部翻转吊孔。

2）吊起半圆体、翻转。300 t浮吊主钩缓慢起吊，副钩放松，半圆体起吊离开地面高度1.3～1.5m后，移动至预定位置（存放场地或船上）。主钩将半圆体提升至合适高度后保持稳定不动，副钩提升翻转索，使半圆体翻转90°，即翻转到半圆体到“卧式”状态。

3）存放或装船。半圆体翻转就位，移至存放场地或船上指定位置后，主钩缓慢下降放下半圆体。

4）脱钩。圆体就位后，人为解开副钩翻转索，挂好脱钩索但要保持松弛状态。主钩下降至松弛状态，副钩再提拉脱钩索，吊钩绕吊钩销轴转动，脱开半圆体主吊孔。至此，一个工作流程结束。

把半圆体从“立式”状态扶正至“卧式”状态的翻转操作顺序如图8所示。

图8 半圆体翻转扶正过程示意图

4.2 半圆体水上安装

半圆体吊装入水后，受到浮力影响，随着入水渐深，半圆体重心会上移至吊点以上，这会使半圆体绕吊轴翻转而使安装不能进行，因此，吊装入水以前须在吊具门架横梁中部垂直方向上用倒链把半圆体对称拉住，防止半圆体入水后翻转，如图9所示。

图9 半圆体安装前锁固情形

1）从运输船上吊起半圆体。将专用吊具主吊索系固于300 t浮吊主钩，脱钩索系固于副吊钩但要保持松弛状态。将半圆体平稳、缓慢从运输船上吊起送至安装位置。

2）安装半圆体。主钩缓慢下降，副钩随之下降并使脱钩索保持松弛状态。半圆体下放至安装位置，主钩拉紧呈微受力状态，检查半圆体位置是否正确。如需调整，主钩再次吊起半圆体调整位置，调整好后放正。

3）脱钩。当确认半圆体位置正确无误后，将主钩完全放松，副钩提拉脱钩索，使吊具吊钩绕吊钩销轴转动，脱开半圆体主吊孔。脱钩完成，吊具提起。 至此，一个半圆体安装完成。

半圆体水上安装操作过程如图10所示。

图10 半圆体起吊过程示意图

5 实施效果

“半圆体翻转、安装多功能吊具”是针对半圆体陆上“立式”一次整体预制空中翻转90°、海上“卧式”状态安装所开发的专用吊具，为国内外首创。2010年8月1日采用该吊具在威海施工现场进行了典型施工，半圆体空中翻转平稳，水上安装就位准确，自动脱钩顺利，安全可靠。截止到2010年8月23日，采用该吊具成功完成了44个半圆体的空中翻转、装船、安装任务。实践证明，研发的“半圆体翻转、安装多功能吊具”使“卧式”预制半圆体的诸多问题通过改为“立式”预制而顺利解决，显著提高了半圆体的预制质量，大幅度缩短了预制和安装工期（各压缩约一半左右），大大减少材料和施工设备消耗，经济效益显著，充分体现了该专用吊具的安全性和先进性。

[1] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2007.

[2] 范钦珊，殷雅俊.材料力学[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3] 汪一俊.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] 施国道，李秉实.港口工程施工手册[M].人民交通出版社，1994.