浅谈压力钢管洞内吊运设施的设计布置

边润娃

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 丹东118000）

在复杂施工条件有限空间内的起重及牵引运输工作，卷扬机系统布置灵活、环境适应性强等,尤其是在水电施工中的输水系统钢管安装施工中，作用明显。在近些年抽水蓄能电站中高水头、长斜井或长竖井等结构采用压力钢管承担输水任务。钢管运输单元重量大、体积大，卷扬机系统的正确选型及受力分析是保证安全的必备前提。

1 卷扬机系统简介

卷扬机系统，一般来说包括以下内容：卷扬机、滑轮组、钢丝绳、吊耳等。作为钢管的吊运系统使重物发生垂直或水平方向的位移，同时还包括台车与轨道。其中，卷扬机可分为卸车卷扬机与牵引卷扬机。滑轮组分为定滑轮组、动滑轮组、导向滑轮。

在布置设计过程中以物重为计算基础，整个吊运系统的布置设计顺序为：参数分析→受力分析→台车设计→轨道设计→吊耳设计→滑轮组选择→钢丝绳选择→钢丝绳校核→卷扬机选择。

2 明确相关影响因数

为满足施工现场要求，相应的钢管洞内吊运系统设计之前首先应明确以下内容：钢管的运输路线（以确定钢管制作最大尺寸、是否组大节、是否有避车道、是否倒车进洞等），钢管总体安装顺序（明确开工几个工作面，吊运设备是否多个工作面共享以及相关的设备投入），相邻作业面的影响情况（明确设备布置位置，是否需要洞室扩挖以及开工时间等），洞室的开挖支护断面尺寸（包括施工支洞及安装主洞，决定钢管运输方式、轨道间距以及运输设备选择），斜井长度、角度（决定设备、钢丝绳选型）等。

3 布置校核

选择以下几个方面简要介绍钢管吊运设施的布置设计：

3.1 吊耳，吊耳的使用位置包括，钢管外管壁，用作钢管卸车吊装或钢管斜井溜放，若钢管汽车运输时钢管轴心与地面平行，则吊装吊耳在钢管长度方向中心位置，若钢管汽车运输时轴心与地面垂直，则吊装吊耳在靠近钢管上管口布置，同时用作竖井放管，钢管斜井溜放吊耳在钢管外壁腰线上部左右各一；钢管内管壁吊耳，用作钢管内部操作平台的锁定，位于钢管上管口下中心附近；运输台车上的吊耳包括台车前后的牵引吊耳及两侧的锁定掉耳。吊耳的型式多为板式吊耳，材质根据规范要求选用于钢管管壁同材质或相容的材质。

主要校核过程首先根据实际受力状态分析受力情况，校核参数包括：角度：垂直方向α、水平方向β；吊耳板抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度；安全系数k；角焊缝系数0.7；吊耳板许用拉应力、许用剪应力；动载综合系数K；吊耳孔中心线至点半中心的距离L；吊耳板端部的圆弧R；吊耳板中心孔直径D；吊耳板厚度t；重力加速度g。

根据以上参数计算：吊索方向载荷：FL=F·K；横向载荷：FH=FL·cosβ；竖向载荷：FV=FL·sinβ；径向弯矩：M=FH×L；最大拉应力：σL=FL/(t（2R-D））；最大剪应力：τL=σL；角焊缝面积：A=2*(L*tan0°+R)*t；角焊缝拉应力：σf=FV/A；角焊缝剪应力：τf=FH/A；角焊缝弯曲应力：σw=6M/｛t[2(L*tan0+R)]2｝；组合应力。

3.2 钢丝绳，作为主要起重吊运设置，钢丝绳需要严格按符合规范要求的方法进行选择校核。使用部位包括：钢管装卸车及斜井放管钢丝绳吊索，钢管卸车卷扬机钢丝绳，运管台车平段牵引钢丝绳，斜井钢管溜放钢丝绳，运人台车牵引钢丝绳等。根据不同的使用部位分别进行验算。

其中，吊索计算需要特别注意吊索受力角度及安全系数选择，吊索张开角度不应大于120°，应尽量选择张角不大于90°，吊索安全系数最小值为6，当用吊索直接捆绑重物时吊索与棱角间应妥善保护，安全系数取6-8，起吊重大物品时安全系数应取10。

使用滑轮组卸车或吊运的钢丝绳，其计算最大负荷位置应为滑轮组的跑头拉力，其计算方法应考虑滑轮组的省力系数及计算载荷，滑轮组的省力系数根据滑轮组倍率、导向滑轮数量以及滑轮轴承型号不同，同倍率情况下，导向滑轮数量越多、轴承摩擦系数越大则滑轮组省力系数越大，钢丝绳跑头拉力越大。为减小钢丝绳直径应减少导向滑轮数量及选择轴承摩擦力小的滑轮。计算载荷用吊物重力乘动力系数求得，在重物起升或中间停止时钢丝绳起升速度小于等于0.2m/s 时最大起升动载系数取1.1，当速度大时动载系数不大于1.9。同时计算机构的工作级别，取安全系数要求较大者进行钢丝绳的选择。

3.3 卷扬机，根据现场空间及受力分析，确定卷扬机参数，在条件允许情况下，斜井竖井卷扬机选择应偏安全，电气系统应着重考虑运行时长及极限载荷状态，及吊运过程中的冲击动载荷等不利因数。

3.4 斜井钢管的防倾覆校核，首先明确最大吊运单元外形尺寸，台车尺寸及洞室尺寸，一般情况下钢管与台车锁定按连成整体计算其最大外形对角线应大于洞室开挖尺寸，不存在翻到可能，但是可能会倾斜。在斜井钢管溜放过程中，由于上下弯段钢管受力情况较复杂，应对倾斜可能进行验算。通过验算确定溜放吊耳焊接高度、轨道安装角度以及斜井溜放钢管的首节安装位置。

举例说明，根据洞室开挖体型，轨道至洞顶7.5m，钢管最大对角尺寸为8.8m，因此钢管在运输过程中不可能倾翻。下面计算钢管倾斜力矩，（台车前轮或后轮不受力时）。受力分析示意如下：

其中：L5、L6、L7、L8、L9、∠b、∠γ 均为已知；

相对支点2 前倾力矩计算：后倾力矩=

在钢管运行过中，计算校核的倾斜力矩包括：放管钢丝绳刚受力时；∠α 最大时；在L4=0，β+γ=900时；重力方向超过支点2 时；在首节溜放钢管至下弯段安装位置时；根据不同位置时重力方向在两支点中间或之外，若在两支点之间则只验算后倾力矩，若在支点2 之前则验算前倾、后倾力矩。

另外，钢管运输台车的轨道间距应为钢管直径的0.5-0.6倍，轨道的验算应按简支梁进行包括强度及刚度的验算，轨道若使用频率高、时间长还应该进行耐磨考虑。台车的摩擦力应考虑车轮轴承摩擦力及车轮与轨道面摩擦力，台车启动摩擦力计算应考虑以滑动摩擦力计算。若在钢丝绳及卷扬机选择时考虑钢管斜井的起升状态还应考虑滑轮组的效率系数，通常会远大于溜放受力状态。

4 结论

在钢管洞内吊运相关设施设计校核过程中应充分考虑各种工况，且不能漏算或减少有关的不利影响系数，增加工程危险因素。希望本文对相关同仁有所帮助，不足之处请修改指正，未尽之处留待后述。