反扣式吊装机的发明及工程应用

张亦弛

上海市政建设有限公司 上海 200438

水处理厂内设备安装工程时常会面临多变、复杂的工况，其施工内容充满多样性，本文探讨并介绍一种借助已有的混凝土板结构对斜下方进行吊装作业，常用于池体内设备吊装，无需螺栓固定，同类吊装施工可反复使用。

1 应用工程概况

深圳市福田区污水处理厂一期工程建设污水处理规模达40万 m3/d。污水处理部分共计13个单体，包括细格栅及沉砂池、初次沉淀池、生物池、二沉池等。其中初沉池建设32条、二沉池建设40条，二沉池池体体积为70.6 m×7.1 m×4.4 m，池体内配合安装管式撇渣器（图1）。

图1 管式撇渣器位置

2 创新发明背景

在沉淀池内安装管式撇渣器时，发现除撇渣器斜上方检修通道外无其他安装利用面（图2），同时考虑到在安装期间应避免利用池底面，不对池体内其他设备安装、运行造成影响。

图2 管式撇渣器二沉池安装位置

2.1 常用的施工方法1：自制龙门架吊装

自制龙门架常用于池内设备吊装（图3），但对于吊装环境有一定的要求。若该池为开放式池体，且池体较宽，架设龙门架跨度会过大，必须增大龙门架拼装材料尺寸，同时增加架子斜撑，导致工具笨重，可靠性差，施工可行性较低[1]。

图3 初沉池采用龙门架吊装现场示意

2.2 常用施工方法2：手拉葫芦＋卷扬机吊装

在屋顶梁上制作吊点，利用手拉葫芦纵向的升降及卷扬机横向牵引安装（图4）[2]。

图4 手拉葫芦配合卷扬机安装示意

若设备安装数量较多，大批量在横梁处架设手拉葫芦吊点并在池底布置卷扬机，会影响施工工期，同时需要利用池底，且检修通道混凝走道板较窄，设置并拆除吊点危险性较大。

3 设备创新发明

根据以上工况分析，我们设计出第3套方案：利用管式撇渣器安装辅助设备进行吊装。

3.1 创新思路

由于传统工艺费时费力并且存在一定的安全隐患，我们需制作一个适合现场特殊环境的吊装设备，借助此设备对管式撇渣器进行安装，在保证安全性的情况下减少施工工期，降低施工成本。

根据现场实际情况，可以利用的安装受力面除池壁外，只剩下一处离池体尾端22.5 m处的检修通道，该通道刚好位于管式撇渣器安装位置斜上方（检修通道与安装轴线横向距离差500 mm，高度差700 mm）。考虑到工具及材料的重复利用性（二沉池共计40台管式撇渣器），我们需要利用通道的混凝土走道板量身定做一个可以方便移动拆卸的吊装设备。我们利用杠杆原理设计了一种反扣式的安装辅助设备（图5、图6），将1根斜梁和2根支腿架设在混凝土走道板上方，并在尾端焊接一扣件，反扣于操作通道侧面，即吊装反方向，在斜梁头部制作一吊耳，吊耳中心离扣件尾端1 700 mm，即当尾端扣件卡入楼板内时，吊耳位置恰好位于安装位置正上方。我们命名该设备为“反扣式吊装机”[3]。

图5 初步构想

图6 吊装辅助工具成品照

根据如上设计，反扣式吊装机具有如下优势：靠自重扣于楼板上，无需固定；设备本身自重较轻，便于搬运；吊装利用空间小，只需在楼道板上便可操作；吊装方法简单，架一台手拉葫芦即可安装；省时、省材、省力。

3.2 深化设计

管式撇渣器设备参数为直径310 mm，长7.1 m，使用的316 L材料密度7.98 g/cm3，同时，测量撇渣口面积及钢管壁厚后，经计算得管式撇渣器自重小于200 kg。根据管式撇渣器（即被吊物）质量进行受力分析，如图7所示。

图7 吊装辅助工具受力分析

根据杠杆原理：动力×动力臂=阻力×阻力臂，即：FL1cos 45°=F1Lcos 45°。F为楼板的最大承载，F1处施加最大拉力为200 kg× 10=2.0×103N。设计L1∶L≈7∶12，即F=3.47×103N。

考虑到在支腿处的受力较大，将支腿垂直焊接于钢管两侧可能存在隐患，根据迫击炮炮腿的支撑原理，利用三角形支撑结构，可以增加结构可靠性，借鉴此结构对反扣式吊装机进行了优化。

经修改后，将3块钢板拼接制成1个混凝土走道板扣件，在扣件上端焊接1根1 000 mm×1 000 mm×4.5 mm的方钢，与通道上平面和扣件呈45°，方钢远离通道端略长于设备安装纵向基准线，在方钢离楼板尾端水平方向980 mm处焊接2根100 mm×45 mm×5.3 mm槽钢作为支腿，水平于纵向基准线，与走道板呈60°，在支腿中间焊接1个槽钢作为横向支撑。在支撑腿下方铺设1块800 mm×1 200 mm钢板分散辅助工具受力，在钢管顶端焊接1个吊点，吊点位于设备安装横向基准线上方（离远处楼板侧端面1 700 mm），用于悬挂手拉葫芦吊装设备（图8）。

图8 管式撇渣器安装辅助工具设计示意

3.3 可靠性计算分析

根据设计尺寸，我们采用Solidworks三维软件进行建模，并赋予模型材料属性和应力，通过软件进行有限元分析，得到静应力分析结果。经过软件分析得到管式撇渣器最大应力值为92.3 MPa，小于Q235材料屈服强度248 MPa。在对辅助工具进行分析后，我们对楼板的载荷进行了分析。根据走道板高度、宽度、跨度及配筋图，计算得到走道板支座处的弯矩、剪力、扭矩、楼板最大裂缝宽度均满足规范要求。

3.4 设备实施运用

根据如上设计，我们定制了吊装工具，并实际对管式撇渣器进行安装。在安装前将辅助工具就位于二沉池操作通道中间位置。将工具反扣于楼板后，把撇渣器移至辅助工具前端准备吊装，吊点上架设1个1 t的手拉葫芦，并通过绑带绑于管式撇渣器中部。当拉动手拉链条将撇渣管抬升后，由于惯性，设备自然而然朝斜上方远离操作通道，迅速达到设备安装位置正上方位置，然后通过手拉葫芦将撇渣器缓慢降至安装高度。管式撇渣器两端通过移动操作平台上的工人配合辅助安装设备（操作平台用于安装刮泥机，无需再单独配备），最终固定安装该设备（图9）。

图9 设备吊装操作示意

同时，利用反扣式吊装机安装管式撇渣器时见缝插针，避免对刮泥机的安装造成时间及空间上的影响。

3.5 对比分析

由于自制龙门架吊装的方案不可行，我们对手拉葫芦＋卷扬机吊装的方案和反扣式吊装机吊装的方案做了经济效益分析，如表1所示。

表1 传统施工方法与新型定制工具对比

反扣式吊装机除了节省施工本身的成本外，最重要的是节省了工期，取得了很好的技术效果，并创造经济效益达95.6万元。

4 结语

综上所述，反扣式吊装机相对于传统工艺在工程进度上有较大的提高，同时减少了人工成本的支出，并且节约了材料及机具的使用费用。除了在成本和工期上有较大的差距外，传统施工方法还存在较大的安全隐患，采用反扣式吊装机吊装避免了这一危险操作，降低了施工的危险性，保证工人在安全环境下施工。