三峡升船机平衡重块吊装施工技术

摘要根据三峡升船机总体施工计划安排，共计240件平衡重块需吊至平衡重井内175m平台组装。吊装单元重量大、数量多且施工空间狭小，吊装施工技术必须安全可靠、经济合理。本文对三峡升船机平衡重块吊装施工技术进行了较详细的介绍，可供今后类似工程施工和施工组织设计提供参考。

关键词三峡升船机；平衡重块；吊装；技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A

1、概述

三峡升船机布置在三峡水利枢纽左岸，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成，全线总长约5000m。三峡升船机为单线一级、采用齿轮齿条爬升平衡重式的垂直升船机，其过船规模为3000t级客货轮。船厢水域有效长度120m，宽18m，水深3.5m。最大提升高度113m，上游通航水位变幅30m，下游通航水位变幅11.8m，下游水位变率约±0.50m/h，是目前世界上施工技术难度和规模最大的升船机。

船厢室段是升船机的主体设备段，主要设备包括承船厢、平衡重系统及配套电气控制设备等。承船厢由256根Ф74mm的钢丝绳悬吊，钢丝绳的一端与承船厢主纵梁吊耳连接，另一端绕过塔住顶部机房内平衡滑轮组后，与平衡重块连接。平衡重与承船厢总重基本相等，约为15500t。

2、平衡重系统总体施工安排

升船机平衡重系统由平衡重组、滑轮组、平衡链、钢丝绳等四大部分组成。平衡重组为主要配重单元，共有16组。每个平衡重组内有2个铸钢平衡重块、14个混凝土平衡重块、1个钢吊篮平衡重块。根据升船机总体施工计划安排，平衡重块需吊至平衡重井内高程175m平台组装。待承船厢结构及机电设备安装完毕后，再通过Ф74mm钢丝绳与承船厢联接悬挂。

共计240个平衡重块吊装是整个平衡重系统工程重要施工内容和施工难点。

图1：船厢室横剖面图

3、平衡重块吊装施工技术

平衡重块分为3种型式，主要参数如下表1所示，外形均为扁平长方形块状。

表1：平衡重块参数表

名称 规格（长*宽*厚） 材质 吊装重量 数量

铸钢平衡重块 8.5m×2.8m×0.33m ZG230-450 61t 32

混凝土平衡重块 12.35m×3.8m×0.43m 钢筋铁矿石混凝土 60t 192

钢吊篮平衡重块 12.35m×3.8m×0.92m 混凝土外包钢结构 28t 16

钢吊篮重量较小碳钢结构，施工简单，文中不再对其赘述。

3.1 吊装路径的选择

根据三峡升船机布置特点，可能的吊装路径有3条。①从高程50.00m底板转运至平衡重井内，由机房桥机翻立并吊至175平台；②运输平衡重块至高程84.50m外平台，然后由由自制台车转至平衡重井内，最后机房桥机翻立提升至175平台就位；③从高程185.00m机房入口运至升船机筒体内，然后用机房桥机转吊入196机房，最后下落至175平台。

路径①分析：由于船厢钢结构和平衡链支墩施工，已无运输通道可用，此路径不可行。

路径③分析：机房桥机大钩最高点高程206.85m，机房地面高程196.00m，净空间10.85m。而大部分平衡重块高度为12.35m，起吊翻身空间不足。

因此，平衡重块只能按路径②进行吊装施工，详见图1所示。

3.2 运输方式的选择

平衡重块均为扁平块状，可采用平躺或侧立运输。平躺优点是车辆运输重心低、行驶稳定；缺点是平衡重块较薄、运输中的冲击易造成断裂。侧立运输优点是省去了现场侧翻工序，加快了现场吊装速度、对施工场地空间要求低；缺点是运输重心高，易造成车辆倾翻。

经综合分析评估，平衡重块以平躺运输为主，侧立运输作为备用措施，当现场施工空间不足的情况下采用。

为降低平躺运输中震动冲击对平衡重块的影响，采用了钢结构底座+枕木缓冲的方式。如下图2所示。

图2：平躺运输示意图

3.3 平衡重块的翻立起升方式

84.5m平衡重井入口门洞尺寸为3.0m*6.0m，平衡重块必须以侧立方式运入井内，然后在井内翻立起升。本工程采用了如图3的翻立起升方案：机房63t桥机大钩通过专用吊具与平衡重块上端联接，自制50t卷扬溜尾工装捆绑平衡重块下端，双机抬吊翻立，最后由桥机提升至175m高程。

图3：平衡重块翻立施工布置图

3.4 滑轮组起吊能力校核

（1）翻身溜尾需用起升力F1

由上图可知，起升力F1在平衡重块水平状态时最大，随着翻立角度变化，F1逐渐变小。

初始状态力矩平衡F1=G*L2/L1

式中：G—平衡重块自重

L1—溜尾捆绑点至吊具距离

L2—平衡重块重心至吊具距离

代入各类型平衡重块参数，最后得出最大F1=36.5t，50t溜尾卷扬系统出力大于F1即可。

（2）滑轮组绳头拉力S计算

拉力公式

式中：F1—滑轮组承载力，即需用最大起升力

E—滑轮与轮槽综合摩擦系数，滚动轴承取1.02

n—动滑轮有效工作绳数

Ek—K个导向轮的综合摩擦系数，方案中只有1个导向滑轮，取1.02

将F1=36.5、E=1.02、n=8、Ek=1.02代入式中，

计算S=5.1t

方案选用的是8t卷扬机，因此滑轮组起吊能力

满足需求。

3.5 平衡重块吊具

平衡重块设计吊头只能满足竖直状态受力，实

际运输吊装中，吊点受力往往是多个方向。因此必

须根据现有结构特点，重新设计施工用临时吊具。

3.5.1 铸钢平衡重块吊具的设计

（1）设计思路

如图4所示，铸钢平衡重块设计图中预留了2

个工艺孔，但由于铸钢块在175m高程安装部位较

为特殊，其四周均为钢框架，穿过工艺孔的吊具或

钢丝绳将无法取出。因此利用设计预留的工艺孔吊

装并不可行。

本方案中利用了铸钢块设计吊头的安装螺栓

孔。自制两块耳板，9颗GB/T-27的M36高强销钉

螺栓将其与铸钢块联接，两块耳板间穿入φ130mm

短轴做为钢丝绳吊轴。

图4：铸钢平衡重块吊具

（2）吊具承载能力校核

吊具需用起升力

铸钢块水平状态双机抬吊时，吊具起升力=30t

铸钢块垂直状态起升时，吊具起升力=61t

a、吊轴

吊轴在垂直状态下受力最大，长度较短，简化计算其剪应力即可。

τ=4Q/3A

=(4×61/2)/(3π×65×65)=30.6MPa

式中：Q—最大起升力，取61t

A—吊轴截面积

b、耳板

垂直状态下，耳板孔的孔中截面为受拉最薄弱点

σ=Pk/(B×δ)

=61*1.1/(34×(316-135))/2=54.5MPa

式中：P—最大起升力，取61t

B—耳孔处截面积

δ—耳板有效厚度

k—动载系数，取1.1

耳板孔局部紧接承压应力

σcj=P/（D*δ）

=61/(130*46)/2=51MPa

式中：P—最大起升力，取61t

D—吊轴直径

δ—耳板有效厚度

孔壁抗拉

σk=σcj*(R*R+r*r)/(R*R-r*r)=71.8MPa

式中：R—耳孔中心至外缘距离，取158

D—吊轴半径，取65

c、耳板的螺栓孔

耳板在第1排螺栓孔位置受拉弯影响最大，其后2排螺栓孔小于第1排，只进行第1排校核。

水平状态下承受拉弯应力

σ=(M*y)/I

=150000*212*158/63255016=79MPa

式中：M—水平状态下耳板承受的弯矩

y—形心距离

I—惯性矩，根据几何截面特性计算

垂直状态下受纯拉应力

σ=F/A=43MPa

式中：F—垂直状态下的起升力

A—有效截面积

吊轴材质均为Q345，按SL-74表4.2.2取值

[σ]=140[τ]=90[σcj]=110[σk]=180,

结论：以上各应力均小于许用应力，因此耳板满足承载要求。

d、螺栓群受力校核

单个螺栓最大许用剪力

Nv=n*3/4*(π*d^2/4)*fv

=2*3/4*3.14*36^2*320/4=488332N

联接板最大允许承压力

N耳板=d*t*fc

=36*34*2*510=1248480N（材质Q345）

N铸钢=d*t*fc

=36*70*180=453600N（材质ZG230-450）

初始翻身状态下：

螺栓群最外侧螺栓水平分力：

Nx=M*X/∑(Xi2+Yi2)

=300000*312*100/200000=61800N

垂直分力

Ny=M*Y/∑(Xi2+Yi2)=Ny=123600N

平均剪力

Nv=V/n=300000/9=33333N

合力：N=(Nx2+(Ny2+Nv2))^0.5=142152N

取受力不均匀系数1.4、动载系数1.2

合力N'=238815N

结论：单螺栓最大合力N'小于螺栓许用剪力、联接板许用承压力，满足使用要求。

3.5.1 混凝土平衡重块吊具的设计

如图5所示，本方案利用了混凝土平衡重块设

计预留的工艺孔，做为吊具设计的着力点。

吊具采用一根直径φ130mm长轴穿过工艺孔和吊具两侧耳板。随着翻立起吊角度变化，吊具围绕长轴旋转，始终保持垂直避免产生弯矩。

同时长轴一端设端板、一端采用螺母固定，下部耳板选用较厚材料，这样具有一定抵挡侧向压力的能力。实际应用中由于机械起停动作冲击、操作指挥偏差等各种因素，观察到吊具下部耳板受到了一定的侧向力。

图5：混凝土平衡重块吊具

4、结语

三峡升船机平衡重块吊装工作从2013年4月份开始，至今240个平衡重块已全部吊至175m高程平台组装，整个吊装施工过程安全顺利，本文所设计的吊装施工技术经实际检验证明科学可靠。