李冬明， 沈位軍， 袁愛東， 沈旭東

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

大型船塢龍門吊作為船廠的大型吊裝設(shè)備，承擔(dān)著吊裝大型分段及總段的任務(wù)，可大幅縮短船舶的建造周期、提高生產(chǎn)效率，在船舶建造中起著不可替代的作用。隨著世界船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)和船舶總段建造法的推廣，國(guó)內(nèi)各大造船廠逐漸開始建造大型船塢龍門吊[1-4]。

800 t大型龍門吊跨度近200 m，重?cái)?shù)千噸，主梁因受到自身重量、起吊重量的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的撓度變形。變形過大往往導(dǎo)致起重小車的爬坡或溜車現(xiàn)象，這對(duì)龍門吊的安全生產(chǎn)和高效運(yùn)行有著不少負(fù)面影響。為保證龍門吊的平穩(wěn)運(yùn)行，主梁在設(shè)計(jì)時(shí)必須具有一個(gè)向上的預(yù)拱度，以抵消將來在起吊作業(yè)中梁自重、起重物產(chǎn)生的下?lián)隙萚5-9]。

1 工程概況及基本參數(shù)

800 t龍門吊起重機(jī)是船塢配套設(shè)備，為單梁門式結(jié)構(gòu)，由主梁、剛性腿、柔性腿、維修吊、上小車、下小車及行走機(jī)構(gòu)等組成。剛性腿與主梁采用焊接聯(lián)接，柔性腿為圓管結(jié)構(gòu)采用撓性鉸連接。龍門吊起重機(jī)自重4 300 t，主梁總長(zhǎng)187 m，跨度178 m。主梁上部設(shè)置1臺(tái)起重量為350 t+350 t的上小車、1臺(tái)起重量為400 t的下小車，單機(jī)抬吊重量為800 t。

主梁為倒梯形箱梁結(jié)構(gòu)，為減小自重提高性能，各部位的板厚及重量均不相同，將其分為15個(gè)不同的分段進(jìn)行建造，然后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合龍總組。

2 主梁的預(yù)拱設(shè)計(jì)

在主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，梁中預(yù)拱值F的計(jì)算式[9]為

F=F0+fz+fxc+fk

(1)

式中：F0為主梁吊裝后的預(yù)拱度；fz為主梁自重下?lián)隙龋籪xc為小車重量引起的下?lián)隙?；fk是拱度修正值(焊接變形、材料蠕變等影響)，可取值為(0.2～0.25)fz。

主梁吊裝后的預(yù)拱度是保證起吊小車穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)指標(biāo)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14406-1993)，可根據(jù)主梁跨度S確定，即

F0=kS

(2)

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值(0.9～1.4)/1 000。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取較大值F0=245 mm。

由于主梁各分段的長(zhǎng)度、板厚不同，重量也不相同，式(1)中的各下?lián)隙葏?shù)難以直接得到，采用Patran軟件進(jìn)行有限元計(jì)算精確確定。圖1為有限元計(jì)算模型，球扁鋼、角鋼、扁鐵、鋼管等采用Bar單元模擬，剛性腿側(cè)邊界條件采用剛性固定約束，柔性腿側(cè)邊界條件采用鉸接約束[10]。經(jīng)計(jì)算，fz=197 mm，fxc=67 mm。拱度修正值考慮到分段數(shù)量較多，取較大值fk=48 mm。

圖1 主梁及端面有限元模型

根據(jù)上述結(jié)果，800 t龍門吊的梁中預(yù)拱值為

F=245 mm+197 mm+67 mm+48 mm

=557 mm

(3)

整個(gè)主梁長(zhǎng)度范圍內(nèi)的預(yù)拱曲線f(x)采用拋物線來確定[9]，即

(4)

式中：x為主梁長(zhǎng)度方向坐標(biāo)值，梁中位置對(duì)應(yīng)x=0。對(duì)于每一分段，采用此方法確定分段左右兩側(cè)的拱度值。

3 主梁分段建造

3.1 建造難點(diǎn)

主梁為倒梯形箱梁結(jié)構(gòu)，分為15個(gè)分段，每個(gè)分段由頂板、底板、側(cè)腹板、橫隔板和T型件等組成。主梁分段的建造，主要問題在于主梁焊縫眾多，在裝配焊接過程中容易出現(xiàn)各種變形，且承軌板的平整度要求很高，精度控制比較困難。難點(diǎn)如下：

(1)上部分段整個(gè)框體的尺寸精度控制，包括基本的焊接變形及分段吊裝翻身過程中的變形。

(2)上部分段頂板需要安裝吊車軌道，承軌頂板的平整度控制要求高、焊接變形影響大。

(3)下部箱梁上表面安裝有下小車起重軌道，上表面平整度控制要求高，且上表面拼板由于存在較大的板厚差，焊接變形影響明顯，建造精度控制困難。

在建造策劃階段，將主梁分段建造時(shí)分為上部和下部?jī)蓚€(gè)分段建造。上部由頂板和2個(gè)側(cè)翼板組成，下部為梯形墩座結(jié)構(gòu)形式。上部分段制作分成頂板片段、2片側(cè)翼板片段，為保證上表面軌道平整度，以頂板為基面進(jìn)行合龍。下部分段以上表面為基面進(jìn)行反造，確保下小車軌道的平整度。上下部分段單獨(dú)制作完成，在側(cè)造胎架上進(jìn)行拼裝。主梁分段建造流程如圖2所示。

由于梁拱值變化趨勢(shì)是越靠近兩端斜率越大，這就使分段接縫處易形成下窄上寬的喇叭口形接縫，因此兩端處的分段頂板需要預(yù)留一定的裕量。

3.2 承軌板的拼裝與焊接

承軌板采用3張不同厚度鋼板拼裝而成，其拼板詳圖如圖3所示。由于薄板與厚板的焊接收縮不一致，因此在焊接階段容易導(dǎo)致薄板的波浪變形。在拼板過程中為保證平整度，采取如下措施：(1)在拼板的四周，采用馬板將拼板和鋼平臺(tái)進(jìn)行固定；(2)在焊接過程中，加放10 mm反變形；(3)結(jié)合正面焊接的變形情況確定反面碳刨的深度，將變形量通過調(diào)整反面焊接熱輸入的方式進(jìn)行矯正。采用這些措施后焊接變形控制效果良好，平整度完全滿足要求。

圖2 主梁分段建造流程

圖3 承軌板拼板詳圖

3.3 主梁上下部分段的合龍

主梁上下部分段的合龍?jiān)趥?cè)造胎架上進(jìn)行，流程如圖4所示。為避免仰焊的出現(xiàn)，2個(gè)分段在合龍后完成平角焊和立角焊的焊接，然后對(duì)整個(gè)主梁分段進(jìn)行180°的翻身，完成其余焊接。在主梁上下部分段的合龍過程中，重點(diǎn)關(guān)注頂板的水平度和下小車承軌板的水平度。采用蕩鉛垂的傳統(tǒng)方法進(jìn)行焊接過程的監(jiān)測(cè)，隨時(shí)調(diào)整變形情況，改變焊接的順序，確保2個(gè)重要平面的水平度，避免扭曲變形的情況出現(xiàn)。

圖4 主梁上下部分段合龍示例

3.4 主梁分段的總組

因?yàn)橹髁河泄岸?，為確保現(xiàn)場(chǎng)總組的實(shí)際拱度值與設(shè)計(jì)值相符，采用剛性總組胎架進(jìn)行定位。在所有總組胎架布置到位后，在所有胎架上標(biāo)記水平等高參考點(diǎn)，然后根據(jù)預(yù)拱曲線，調(diào)整各胎架至預(yù)拱高度值，最后完成各分段定位，并再次檢測(cè)各分段預(yù)拱高度。

分段定位結(jié)束，需要將分段在寬度方向約束固定，長(zhǎng)度方向不建議有較強(qiáng)約束，以避免焊接過程中的收縮變形與長(zhǎng)度方向的固定約束相沖突而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為保證總組焊接質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制焊接順序。分段焊接時(shí)以梁中間分段為基準(zhǔn)，由中部向兩側(cè)依次推進(jìn)。在對(duì)接面上，由于分段對(duì)接縫高為12.8 m，最寬處為9.6 m，為避免焊接變形對(duì)主梁精度產(chǎn)生影響，在寬度方向上需要采用對(duì)稱焊接工藝，可先焊接下箱體，再焊接上翼緣板，最后焊接上箱體側(cè)腹板。

4 龍門吊主梁拱度的檢驗(yàn)

龍門吊在現(xiàn)場(chǎng)總組合龍后進(jìn)行吊裝，按照建造要求對(duì)其進(jìn)行完工檢測(cè)。對(duì)主梁在如下兩種工況下的拱度進(jìn)行測(cè)量：

(1)空載工況檢測(cè)，起吊小車位于中部，無吊重。

(2)重載工況檢測(cè)，起吊小車位于中部, 滿載吊重。

每種工況測(cè)量2次，先空載、重載工況測(cè)量，吊重卸載后，再次進(jìn)行空載、重載測(cè)量。為確定拱度，測(cè)量主梁在剛性腿、柔性腿和梁中等3處位置的距地高度，梁中相對(duì)于兩側(cè)的高度差即為拱度。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)量結(jié)果表明，主梁的預(yù)拱控制效果比較理想，空載工況的預(yù)拱度同設(shè)計(jì)值F0=245 mm比較接近，說明所采用的建造工藝方法是可靠的。

表1 800 t龍門吊預(yù)拱度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) mm

5 結(jié) 語(yǔ)

以800 t船塢龍門吊主梁的預(yù)拱設(shè)計(jì)與建造為研究背景，通過分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出具體的設(shè)計(jì)方法與合理的建造工藝，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目。該龍門吊成功建造并順利驗(yàn)收，焊接變形控制良好、平整度高，建造質(zhì)量與精度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，所采用的建造工藝有效可行，能夠較好地保證船塢龍門吊主梁的建造質(zhì)量與精度，但在建造速度方面稍有欠缺，有待將來改進(jìn)。