通过计算验证在复杂地形的条件下管道吊装施工的安全性

通过计算验证在复杂地形的条件下管道吊装施工的安全性

马孟克

云南建投第一水利水电建设有限公司，云南 昆明650217

摘要： 澜沧江至大中河水库应急调水工程管道安装属线形工程，沿线多为坡地，且地形复杂。为在这复杂的环境中确保施工安全，通过对现场的实地踏勘，初步拟定在平地段选用汽车吊装，在坡地段选用挖机吊装。在这样复杂地形条件限制的情况下，按施工进度计划要求，选定安装单根管道长度后，根据单根管道重量通过计算验证选定的吊装设备和吊装材料，确保施工过程中的安全。

关键词：根据地形；选择设备；验证安全

1、设备选择

1.1管道技术参数

澜沧江至大中河水库应急调水工程需安的管道有两种钢管和球墨铸铁管，管道技术参数见表1。  

表1 道技术参数表                                                

1.2吊装设备选择

由于管槽沿线多为坡地，地形复杂多变，水平地段选用吊车吊装，坡度较陡地段选用挖掘机吊装。管槽沿线吊装地点不固定，吊车作业半径R在不断变化，吊车型号根据汽车起机性能表、管节重量，在20T、25T汽车吊中灵活选用。挖掘机也可根据地形和坡度选用不同型号的挖掘机。

2、 汽车起重机性能

2.1吊车设备参数

（1）徐工QY25E25吨吊车参数见表2。

表2 徐工QY25E25吨吊车参数表

（2）徐工QY20吨吊车参数见表3。

表3 徐工QY20吨吊车参数表

2.2汽车吊装工况模拟计算

根据那蚌倒虹吸地形分析，本标段吊装难度低，安装过程中，12m节段吊装质量最大，72#-75#镇墩吊装半径最大，若该节段吊装安全可控，其工况均能满足要求。

工况模拟如下：

吊装质量3.3吨，最大吊装高度6米，半径10m。最大吊装高度9米，半径18米。

图1

（1）吊臂长选定为24.8m，吊装半径10m，额定起重量3.3t，25t吊钩重量0.2t。

吊车吊装载荷计算T计=(G+g)×K1×K2

式中：G—被吊物重量，3.3t

g—索吊具重量（含吊车吊钩、动滑轮、跑绳及其它索吊具重量），取0.3t

K1—动载系数，取K1=1.1

K2—不均衡系数，双机以上抬吊取K2=1.2 ，单机吊K2=1.0。

T1=（3.3+0.3）*1.1*1=3.96t

根据参数表和工况分析，25吨汽车吊和20吨汽车吊均满足钢梁施工要求。若现场工况发生变化，根据实际情况按以上计算规则重新核定。

图2

（2）吊臂长选定为24.8m，吊装半径18m，额定起重量1.65t，25t吊钩重量0.2t。

吊车吊装载荷计算T计=(G+g)×K1×K2

式中：G—被吊物重量，1.65t

g—索吊具重量（含吊车吊钩、动滑轮、跑绳及其它索吊具重量），取0.3t

K1—动载系数，取K1=1.1

K2—不均衡系数，双机以上抬吊取K2=1.2 ，单机吊K2=1.0。

T1=（1.65+0.3）*1.1*1=2.145t

根据参数表和工况分析，25吨汽车吊满足钢梁施工要求。若现场工况发生变化，根据实际情况按以上计算规则重新核定。

（3）钢丝绳选择

按最大起重量来选择钢绳，根据本标段管节划分分析，起重量按3.3吨，长度为12m，每段管节设置两个吊点。模拟如下：

图3 吊装角度模拟图

吊装钢丝绳总载荷P总:

P总 =G+ g’

式中：g’—计算吊装钢丝绳以下索吊具重量。g’忽略不计;

P总 =3.3*10+0=33KN

c、双吊点以上，每个分支单股钢丝绳所需拉力P计算

          P= P总 /(n×sinα)

式中： n—使用的钢丝绳分支数。如一个分支采用单股多折钢丝绳，钢丝绳的实际拉力等于此值除于钢丝绳折股数量；n=2；α—吊装钢丝绳与被吊物之间的水平夹角,α=60。

P =33/(2×sin60)=19.053KN

d、钢丝绳要求破断拉力T计算

T =（ P×K1×K2×K ）/Ψ

式中：T为钢丝绳破断拉力，P为钢丝绳实际需要承受的吊装载荷。P=19.053KN

K1为动载系数，取K1=1.1。

K2为不均衡系数，单吊点取K2=1，双吊点以上取K2=1.2。

Ψ为钢丝捻制不均折减系数,对6×19绳,Ψ=0.85；对6×37绳，Ψ=0.82。

K为安全系数。不同用途钢丝绳安全系数K选用见表4所示。

表4 钢丝绳安全系数K选用表

T= (19.053×1.1×1.2×7）/0.82=214.69KN

参照6×37M-FC及6×37M-IWRC型钢丝绳破断拉力参数表的相关数据，钢丝绳选取6×37--22--1770钢丝绳，钢丝绳级1770，纤维芯（FC）,最小破断拉力253KN，满足施工要求。

（4）卸扣选择

卸扣荷载G1=3.3/2=1.65吨

安全系数为K1=1.5，

荷载G2=1.65×1.5=2.475吨

图4

根据使用方便性，选择BW型卸扣S-BW3.25-8/8以上的卸扣均满足要求。

表5

（5）吊装设备抗倾覆计算

为保证汽车吊在吊装过程中的稳定，需进行抗倾覆验算，即需使稳定力矩大于倾覆力矩。以12m管节为验算对象，查《起重机设计规范》可知：  KGMG+KQMQ+KWMW≥0 

式中： KG：自重加权系数，取1             

KQ：起升荷载加权系数，取1.15      

KW：风动载加权系数，取1          

MG、MQ、MW为汽车吊自重、起升荷载、风动荷载对倾覆边的力矩，N•m； 覆边的力矩，N•m；

G：自重（含配重），取26.4t；

Q：起升物重量，取3.3t；

W：风动载，按起升物重量的20%考虑；          

a ：吊车重心支点中心距离，宽6m，故a取3m；

R：工作半径，最大取10m；          

H：风动载合力点高度。 

（1）KGMG+KQMQ+KWMW  =1×G×a-1.15×Q×（R-a）-1×W×h 

=26.4×3-1.15×3.3×(10-3)-0.2×3.3×3=50.655t•m＞0

（2）KGMG+KQMQ+KWMW  =1×G×a-1.15×Q×（R-a）-1×W×h 

=26.4×1.65-1.15×1.65×(18-3)-0.2×1.65×3=49.7475t•m＞0

故稳定性满足要求。

（6）吊车地基承载力计算及软弱地基处理

对于本工程中25吨汽车吊起吊重物，本工程中，单节质量最大3.3吨，吊车自重26.4+3.3=29.7吨。支腿垫板面积1m*0.2m*3*4=2.4m2。

地基承载力：

F=29.7*9.85=292.545KN

P=F/A=292.545/2.4=121.89Kpa

取1.35安全系数，P1=121.89*1.35=164.55kpa

当地基承载力小于P1时，需要在支车处挖出软弱土体，换填碎石压实，防止泡水，直至承载力满足施工要求，方可施工。

3、挖掘机吊装

3.1挖掘机吊装

图5

现场使用卡特215和住友350挖掘机进行起重吊装。

（1）卡特215斗容量1.2m³，住友350斗容量1.5m³，根据参数表信息，卡特215满载碎石时全伸臂约7米，最大挖掘深度3.9米，最大静载力矩为M1=1.2m³*7m*1.5t/m³=126KN.m，吊装时最不利工况，以最大3米沟槽为例（坡比1:0.5，沟槽底板宽2.2米，管道重量2t）。

吊装力臂为Y/2+3*0.5+2.2/2=4.63m。

吊装力矩为M2=2t*4.63m=92.6KN.m，

取动载系数1.2，

则最大吊装力矩M3=92.6*1.2=111.12KN.m

满足3米基坑安全吊装。

（2）住友350：满载碎石静载力矩（11.17-1.8）m*1.5t/m³*1.5m³=210.825KN.m，吊装时，以最大5米沟槽为例。

M1=（2.32+5*0.5+2.2/2）*2t=118.4KN.m。

取动载系数1.2，

最大吊装力矩M3=118.4*1.2=142.08KN.m

满足5米基坑安全吊装。

4、结束语

在复杂的地形条件下，进行管道吊装施工，重点就是施工过程中的安全论证及验证，通过对现场设备各项参数进行计算和验证，确定其施工过程中各种吊装设备和吊装材料的安全性。针对该项目的阐述和介绍，为今后管道吊装设备和吊装材料的安全验证，提供一定的参考价值。

参考文献

[1]云南省水利水电勘测设计院澜沧江至大中河水库应急调水工程《管道平面布置》.

[2]徐工QY25、QY20汽车起重机《使用说明书》.

[3]卡特215和住友350挖掘机《使用说明书》.